基于勢(shì)流理論下的船舶設(shè)計(jì)研究

彭建鋒 楊敬東

【摘 要】隨著CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用，數(shù)字化的船模水池，在民船與軍船水動(dòng)力特性研究中得到廣泛的應(yīng)用。本文介紹了以勢(shì)流理論為基礎(chǔ)的船舶設(shè)計(jì)軟件Shipflow，并介紹了其適用的船舶類型，分析了它在阻力預(yù)報(bào)中的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】CFD；勢(shì)流理論；阻力預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)： U675.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）16-0194-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.088

【Abstract】With the application of CFD（Computational Fluid Dynamics）technology in ship design research， digitalized model vessel pools have been widely used in the study of hydrodynamic characteristics of civilian and military ships.

【Key words】CFD；Potential flow theory；Resistance prediction

21世紀(jì)，科技高速發(fā)展為船舶業(yè)帶來了巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，作為船舶設(shè)計(jì)者，要審時(shí)度勢(shì)，積極開發(fā)應(yīng)用新技術(shù)，才能立足于行業(yè)前列。CFD是一種新興的計(jì)算方法，它作為一種新的優(yōu)化船型手段在國(guó)內(nèi)外船舶設(shè)計(jì)中已得到了廣泛的應(yīng)用。但由于受到當(dāng)前理論水平和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度限制，CFD方法對(duì)于精準(zhǔn)預(yù)報(bào)船舶水動(dòng)力性能還些不足，但其計(jì)算結(jié)果仍能一定的精度要求，且能得到比船模試驗(yàn)更多流場(chǎng)信息。目前主流的CFD設(shè)計(jì)軟件有：Fluent、CFX，Star-CCM、Comsol等，由于算法和軟件本身側(cè)重點(diǎn)不同，因此各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文將介紹一種基于勢(shì)流理論的CFD計(jì)算軟件Shipflow，并分析其在特定船型設(shè)計(jì)中所具有的優(yōu)越性。

1 軟件簡(jiǎn)介

Shipflow是以CDF為依托，處于領(lǐng)先地位的船舶水動(dòng)力設(shè)計(jì)分析專用軟件，最初是由瑞典SSPA公司和Chalmers科技大學(xué)在八十年代聯(lián)合研發(fā)的，針對(duì)船體水動(dòng)力數(shù)值模擬的專用軟件[1]。在國(guó)內(nèi)，Shipflow應(yīng)用主要集中在高校等科研院所，側(cè)重于應(yīng)用研究[2]；在國(guó)外，該軟件側(cè)重應(yīng)用于多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，例如，船型參數(shù)化軟件Friendship已將其作為系統(tǒng)默認(rèn)求解器[3]。除此之外國(guó)外學(xué)者還十分重視軟件的檢驗(yàn)與驗(yàn)證，Lu[4]等對(duì)Shipflow軟件用于油船仿真的網(wǎng)格劃分、計(jì)算設(shè)置等進(jìn)行了相關(guān)性分析；Mierlo[5]對(duì)Shipflow軟件的網(wǎng)格劃分、興波阻力計(jì)算方法和收斂準(zhǔn)則等開展了較為深入的研究，并經(jīng)過系列船型計(jì)算，得到了可用于修正Shipflow計(jì)算結(jié)果的回歸公式。

2 計(jì)算優(yōu)越性分析

船舶拖曳水用船舶模型實(shí)驗(yàn)方法，模擬船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是船舶水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)的重要設(shè)備。船模實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證船舶設(shè)計(jì)、了解船舶阻力性能的重要環(huán)節(jié)，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)至今仍在新船型開發(fā)中起著重要的作用[6]。但這種方法實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高，周期長(zhǎng)，且對(duì)船池本身依賴性較大。船舶CFD是通過模擬不可壓縮牛頓流體的湍流運(yùn)動(dòng)狀況來預(yù)報(bào)船舶航行時(shí)的水動(dòng)力性能。結(jié)合具體的船型，CFD可以比較精確預(yù)報(bào)船舶快速性和流場(chǎng)特性，能比較不同流線方案的快速性優(yōu)劣。由于是在“數(shù)值水池”中進(jìn)行試驗(yàn)，尤其在設(shè)計(jì)初期，不用進(jìn)行船模實(shí)驗(yàn)，也可以獲得具有參考價(jià)值的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，這在船舶設(shè)計(jì)有著重要意義。Shipflow是造船行業(yè)廣泛認(rèn)同的功能最全面，最完善的有效計(jì)算船舶阻力性能的CFD軟件之一，它相當(dāng)于數(shù)字化的船模水池，在民船與軍船水動(dòng)力特性研究中有廣泛的應(yīng)用。Shipflow可以通過模擬給出波浪模式，壓力分布，速度矢量，空間流線和波浪增阻，粘性阻力，興波阻力，誘導(dǎo)阻力，升力，螺旋槳效率等船體特征性參數(shù)[7]。新開發(fā)的Shipflow版本還增加了增添了淺水效應(yīng)研究，盤形推進(jìn)器網(wǎng)格自動(dòng)劃分和多船體研究等功能。

Shipflow將船體周圍的流場(chǎng)劃分為三個(gè)計(jì)算流域，分別為勢(shì)流區(qū)、薄邊界層區(qū)和湍流區(qū)，根據(jù)各個(gè)區(qū)域流體流動(dòng)特性的不同，分別在每一區(qū)采用不同的數(shù)值計(jì)算方法。其中每一區(qū)使用的CFD方法如下：

2.1 勢(shì)流區(qū)

Shipflow在該區(qū)域采用Rankine源法，根據(jù)自由表面的線型、非線性邊界條件，進(jìn)行高階面元法的勢(shì)流理論進(jìn)行計(jì)算，主要是求解船舶的興波阻力。

其原理是認(rèn)為此區(qū)域船舶在不可壓縮的理想流體中運(yùn)動(dòng)，忽略水的粘性，且不考慮尾部伴流影響，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，運(yùn)用高階面元法，聯(lián)立Laplace方程以及自由液面邊界條件得出速度勢(shì)分布，然后根據(jù)伯努利方程得到壓力與速度的關(guān)系，最后算出船舶興波阻力系數(shù)Cw。

2.2 薄邊界層區(qū)

此區(qū)域主要應(yīng)用邊界層理論。采用動(dòng)量積分的方法，對(duì)船舶前三分之二的船體沿邊界層進(jìn)行厚度積分，起點(diǎn)可以從駐點(diǎn)開始，也可以從選定的站點(diǎn)開始。將勢(shì)流壓力分布作為輸入?yún)?shù)，可計(jì)算出此區(qū)域的摩擦阻力。

2.3 湍流區(qū)

此區(qū)域可看做是對(duì)粘性流體進(jìn)行求解。Shipflow采用基于有限體積法的RANS求解器——XCHAP求解模塊[8]來進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算中采用時(shí)均化的N-S方程，即雷諾方程。

不可壓縮流體的雷諾方程：

在數(shù)值計(jì)算中采用有限體積法，通過k-？著湍流模型進(jìn)行求解。其中，RANS方程的邊界條件可由勢(shì)流和邊界層計(jì)算得到，方程中的對(duì)流項(xiàng)采用Roe平均策略，取二階精度格式，其余各項(xiàng)采用中心差分進(jìn)行離散，并對(duì)離散方程進(jìn)行迭代求解[9]，由于此區(qū)域船體受到流體的粘性作用，對(duì)船體濕表面進(jìn)行積分，所得運(yùn)動(dòng)方向上的分量即粘性阻力Rv，再通過RANS方程求解得到船體表面壓力分布。采用這種分區(qū)域分步驟的求解方式，得到船舶航行時(shí)受到的總阻力。整個(gè)計(jì)算方法既能保證計(jì)算的精度與準(zhǔn)確度，同時(shí)也有效縮短了計(jì)算周期，提高了計(jì)算效率。

3 阻力預(yù)報(bào)方法

艦船船體阻力可以分為興波阻力與粘性阻力，阻力預(yù)報(bào)有兩種方法。

第一種，分別計(jì)算兩種阻力，其中粘性阻力利用Holtrop方法估算，形狀因子可用經(jīng)驗(yàn)公式，摩擦阻力系數(shù)可用柏-徐公式計(jì)算。興波阻力計(jì)算可以通過對(duì)船體表面勢(shì)流壓力進(jìn)行積分得到；粘性阻力是摩擦阻力與粘壓阻力之和，摩擦阻力是對(duì)沿船體表面局部摩擦應(yīng)力積分得到，前半體局部摩擦阻力通過邊界層方法得到，后半體局部摩擦阻力通過N-S方程中壁面剪應(yīng)力得到，粘壓阻力由粘性引起的壓力積分得到。

第二種是排擠厚度法，排擠厚度是指粘性作用造成邊界層速度降低，相比理想流體有流量損失，相當(dāng)于中心區(qū)理想流體的流通面積減少，計(jì)算時(shí)將平板表面上移一個(gè)厚度，此為排擠厚度[11]。在計(jì)算興波阻力時(shí)就等效的計(jì)入粘性的影響，獲得剩余阻力，然后估算出艦船的船體阻力。

采用和這兩種方法估算剩余阻力時(shí)，只有當(dāng)剩余阻力系數(shù)Crs>0.32時(shí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性高，系數(shù)較小時(shí)，則存在一定的誤差。其中采用排擠厚度法比第一種估算阻力方法更為準(zhǔn)確，其預(yù)報(bào)阻力誤差基本可控在7%內(nèi)。計(jì)算興波阻力時(shí)引入排擠厚度等效算作粘性影響，進(jìn)行修正，可以達(dá)到對(duì)船舶阻力的快速預(yù)報(bào)。

4 關(guān)于Shipflow應(yīng)用的討論

近年來，有關(guān)CFD的研究進(jìn)展較快，Shipflow的應(yīng)用也越來越廣泛。但是，無論是網(wǎng)格處理、求解器設(shè)計(jì)、后處理，還是計(jì)算結(jié)果可靠性分析上，由于源代碼不公開而存在修正的困難[12]。大量的算例分析得出，Shipflow對(duì)于大Cb，低Fn船型有較好的計(jì)算結(jié)果，但是對(duì)于特殊的高速船，其計(jì)算結(jié)果不如Fluent；尤其當(dāng)船舶航態(tài)處于半滑行狀態(tài)時(shí)，出現(xiàn)破波，其計(jì)算精度往往無法滿足設(shè)計(jì)要求，只能用船模試驗(yàn)。綜上，對(duì)于船型幾何形狀及船體周圍流動(dòng)的過于復(fù)雜時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果只適用于對(duì)船舶性能做定性的分析。若能解決這幾方面問題，Shipflow將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

本文對(duì)目前應(yīng)用較為廣泛的Shipflow軟件進(jìn)行了介紹，分析了其分區(qū)域計(jì)算的方法，以及其在船舶阻力預(yù)報(bào)中的實(shí)際運(yùn)用。通過對(duì)船舶繞流的分析，對(duì)船舶阻力的計(jì)算，可以對(duì)船舶設(shè)計(jì)進(jìn)行線型優(yōu)化，對(duì)初步線型的阻力性能進(jìn)行對(duì)比、評(píng)價(jià)，為修改線型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供幫助[13]，提高船舶快速性，從而降低船舶制造成本，提高工作效率，縮短建造周期，節(jié)省船模加工、試驗(yàn)成本。

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