基于CFD实尺2339标准箱集装箱船的阻力分析和实船验证
基于CFD_的直接进气系统在船舶上的研究与应用
972023年·第4期·总第205期基于ＣＦＤ的直接进气系统在船舶上的研究与应用冯树才 曲东旭 陈彦臻 李 智（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 ２０００１１）摘 要：…为进一步降低船舶能耗，该文以某大型散货船为研究对象，提出直接进气系统的设计方案。
基于计算流体力学（computational…fluid…dynamics,…CFD）数值模拟法，对设计的合理性进行分析，并对直接进气系统在实船上的应用进行探讨。
理论分析与实船验证结果表明：进气风道内流速与设计流速相符，直接进气系统总阻力远低于许用限制值，通过增压器的自吸能力可直接吸入舷外空气，系统设计合理；应用该系统后，主机、辅机油耗降低，机舱风机运行总能耗降低50%，初始投资回收周期短，可降低船舶运营成本。
关键词：直接进气系统；计算流体力学；数值模拟；实船应用；船舶运营成本中图分类号：U664.86………文献标志码：A………DOI ：10.19423/ki.31-1561/u.2023.04.097Research and Application of Direct Air Intake System on ShipsBased on Computational Fluid DynamicsFENG Shucai QU Dongxu CHEN Yanzhen LI Zhi(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)Abstract: A design scheme of the direct air intake system of a large bulk carrier is proposed in order to reduce the energy consumption of the ship. The rationality of the design is analyzed by numerical simulation based on the computational fluid dynamics (CFD). And the application of the direct air intake system on the ship is also discussed. Theoretical analysis and ship trial show that the flow velocity in the intake duct is consistent with the designed flow velocity, and the total resistance of the direct intake system is much lower than the allowable limit value. The outboard air can be directly inhaled through the self-absorption capacity of the turbocharger, and the system design is reasonable. By applying this system, the fuel consumption of the main engine and auxiliary engine is reduced, the total energy consumption of the fan in the engine room is reduced by 50%, and the initial investment recovery cycle is short with reduced cost of ship operation.Keywords:…direct air intake system; computational fluid dynamics(CFD); numerical simulation; real ship application; ship operating costs收稿日期：2023-05-08；修回日期：2023-06-15作者简介：冯树才（1981-），男，本科，高级工程师。
基于CFD的船舶总阻力数值模拟
第４８卷㊀第２期２０１９年４月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀船海工程ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４８㊀Ｎｏ.２Ａｐｒ.２０１９㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３９６３/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１￣７９５３.２０１９.０２.０４４基于ＣＦＤ的船舶总阻力数值模拟陈骞ꎬ查晶晶ꎬ刘刚(上海外高桥造船有限公司ꎬ上海２００１３７)摘㊀要:为了实现利用ＣＦＤ准确预报船舶阻力ꎬ选取２种船舶线型ꎬ对静水下不同航速时的阻力进行模拟ꎬ考虑船舶的对称性ꎬ使用半船进行建模ꎬ为减少网格数量并尽量保证精度ꎬ采用局部加密进行网格处理ꎬ采用ＶＯＦ法对自由液面进行模拟ꎬ与船模试验数据对比表明ꎬ本方法具有较高的数值精度ꎮ关键词:ＣＦＤꎻ总阻力ꎻ粘流ꎻ数值模拟中图分类号:Ｕ６６１.３㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７１￣７９５３(２０１９)０２￣０１７４￣０４收稿日期:２０１９－０１－０８修回日期:２０１９－０３－１８第一作者:陈骞(１９９０ )ꎬ男ꎬ学士ꎬ工程师研究方向:船舶流体仿真与水动力优化㊀㊀在船舶设计过程中ꎬ为了获得各线型差异对船舶阻力的影响ꎬ往往需要大量的船模试验ꎮ但船模试验周期长㊁成本高ꎬ而且ꎬ通常只能选取其中的典型线型进行船模试验ꎮ为此ꎬ考虑采用ＣＦＤ数值计算方法ꎬ利用计算机技术ꎬ在船舶设计及线型优化中进行各种模拟预估ꎬ从众多方案中进行选取ꎬ减少船模试验次数ꎬ节省开发时间和开发成本ꎮ选取两不同船舶线型ꎬ选取多速度点进行数值计算[１￣３]ꎮ通过与水池船模试验结果的比较ꎬ分析ＣＦＤ模拟阻力值与水池试验报告的数值精度ꎬ得到精度高的模拟方法ꎮ１㊀船舶流体理论基础在船舶的流场中ꎬ粘性起到主要作用ꎬ计算必须考虑到流体黏性ꎮ黏性流体运动满足质量守恒定律㊁动量守恒定律㊁动量矩守恒定律及能量守恒定律ꎮ当考虑流体为不可压缩时ꎬ密度ρ为常数ꎬ基本方程只剩下连续方程和动量方程ꎬ将本构方程代入得到雷诺方程ꎮ１.１㊀雷诺Ｎａｖｉｅｒ－ｓｔｏｋｅｓ方程对于不可压缩的流体ꎬＮ－Ｓ方程为[４]ＤνＤｔ＝ｆ－Ｉρ▽ρ＋▽２ν(１)Ｎ－Ｓ方程为一非线性的二阶偏微分方程ꎬ等式左边为惯性力ꎬ右边依次为质量力㊁压力合力和黏性力ꎮ其中黏性力又分为剪应力与附加法向应力ꎮ１.２㊀雷诺平均Ｎ－Ｓ方程虽然Ｎ－Ｓ方程能描述湍流的瞬时运动ꎬ但对湍流空间中每一点的物理量进行描述和预测是相当困难的ꎮ目前湍流的数值计算方法主要有三种:直接数值模拟方法㊁大涡模拟方法和雷诺平均Ｎ－Ｓ方程方法ꎮ而其中的雷诺平均Ｎ－Ｓ方程方法是在工程计算中运用最广的[５]ꎮ雷诺认为湍流的瞬时速度场满足Ｎ－Ｓ方程ꎬ因而采用时间平均法建立了雷诺方程ρ(∂μｉ∂ｔ＋∂μｉμｉ∂ｘｉ)＝ƏｐƏｘｉ＋μ▽２μｉ＋∂∂ｘｉ(－ｐμᶄｉμᶄｊ)(２)由雷诺方程看出ꎬ湍流中出了平均运动的粘性应力μ▽２μｉ外ꎬ还多了与脉动速度相关的一项－ρｕᶄ１ｕᶄ１ꎬ称为雷诺应力ꎬ它是一个二阶张量ꎮ由于在原有Ｎ－Ｓ方程上增加了雷诺应力这一新变量ꎬ方程不再封闭ꎬ因此需要在湍流应力与平均速度之间建立补充关系ꎬ即所谓的湍流模式ꎮ１.３㊀湍流模式湍流模式理论是指依据湍流的理论知识㊁实验数据或直接数值模拟的结果ꎬ对雷诺平均Ｎ－Ｓ方程中出现的雷诺应力项建立方程或表达式ꎬ然后对雷诺应力方程的某些项提出尽可能合理的模型和假设ꎬ以此使方程组封闭求解的理论ꎬ湍流模式理论是目前在模拟和预报复杂湍流时非常重要的工具ꎮ根据对雷诺应力处理方式的不同ꎬ湍流模式理论可分为两大类[６]:雷诺应力模式及涡粘模式ꎮ雷诺应力模式计算量很大ꎬ对计算机的要求０７１高ꎬ限制了其应用ꎮ涡粘模式不直接处理雷诺应力项ꎬ而是引入湍动粘度ꎬ湍流应力是以湍动粘度函数的形式出现ꎮ涡粘模式的模型相对要简单一些ꎬ计算量也小ꎬ针对特定流动问题可通过假定各种不同参数获得满足工程精度的求解[７]ꎮ２㊀ＣＦＤ计算模拟２.１㊀ＣＦＤ求解过程求解步骤见图１ꎮ图１㊀ＣＦＤ求解流程２.２㊀模型参数设置通常ꎬ在船体的湿表面上使用带有棱柱层的切割体网格进行阻力分析ꎮ使用切割体网格单元意味着网格将与平静的自由表面对齐ꎮ在网格设置中ꎬ各区域网格尺度均以ｂａｓｅｓｉｚｅ为基准ꎬ这样可以快速对网格进行疏密的变化ꎮ考虑船体的对称性ꎬ整个计算域只需选择一半ꎮ一般来说ꎬ网格越细ꎬ所求得的精度越高ꎬ同时需要的计算资源就越多ꎮ在生成网格时ꎬ要平衡网格大小与计算时间ꎮ整个计算域无需全部加密ꎬ主要对船体周围ꎬ兴波区域进行局部加密ꎮ自由液面需要捕捉波形ꎬ那就需要在波浪范围单独加密ꎮ从开尔文兴波范围和波浪兴起高度两方面进行加密ꎮ对船体周围加密ꎬ并适当建立过渡的网格ꎮ最后采用的网格见图２ꎮＣＦＤ在实际运用中应尽可能减少人工与计算成本ꎬ需要计算网格尽可能优化ꎮ接下来的计图２㊀计算域网格算均采用同样的网格策略ꎮ对于自由液面的捕捉ꎬ部分流体计算采用的是叠模的方式ꎬ先求解粘性阻力ꎬ再采用带自由面的势流计算兴波ꎮ本文对于自由液面的影响利用ＶＯＦ(ｖｏｌｕｍｅｏｆｆｌｕｉｄ)法求解ꎮ模拟计算中ꎬ选择Ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ε湍流模式来模拟湍流的影响ꎮ近壁处理采用壁面函数ꎮ边界层保证ＷａｌｌＹ＋值在合适的范围ꎮ２.３㊀阻力计算结果选取２艘船舶线型ꎬ对裸船体阻力数值进行软件模拟评估ꎬ利用已有水池试验报告进行对比ꎮ从而对网格及相关设置等进行评估ꎮ２.３.１㊀阿芙拉(ＡＦＲＡＭＡＸ)线型该船为一ＡＦＲＡＭＡＸ线型ꎬ主尺度见表１ꎮ水池试验缩尺比为３４.１３ꎬ设计吃水下阻力试验数据及ＣＦＤ模拟数据见表２ꎮ表１㊀ＡＦＲＡＭＡＸ主尺度参数垂线间长Ｌｐｐ/ｍ２４２.９５型宽Ｂ/ｍ４４.００设计吃水Ｔ/ｍ１３.５０设计速度Ｖ/ｋｎ１４.５０表２㊀ＡＦＲＡＭＡＸ计算数据对比弗芳德数Ｆｒ模型速度Ｖｍ/(ｍ ｓ－１)阻力值/Ｎ试验ＣＦＤ计算０.１２１.０１２８２５.０３９２５.０２００.１３１.０９６２２８.９８９２８.９７８０.１４１.１８１４３３.３７７３３.３１３０.１５１.２６５９３８.２２５３８.３０５０.１６１.３５１１４３.５４７４３.５８８０.１７１.４３３３４９.２１５５０.１７７０.１８１.５１７０５５.７９２５６.９５８㊀㊀从表２可以看出ꎬＦｒ在０.１２~０.１８范围内ꎬＣＦＤ模拟所得的总阻力值与水池试验报告相比ꎬ误差在－０.０７４％~２.０８９％之间ꎮ１７１２.３.２㊀ＶＬＣＣ线型ＶＬＣＣ线型船舶主尺度见表３ꎮ水池试验缩尺比为３４.１３ꎬ设计吃水下阻力试验数据及ＣＦＤ模拟数据见下表４ꎮ表３㊀ＶＬＣＣ主尺度参数垂线间长Ｌｐｐ/ｍ３２４.００型宽Ｂ/ｍ６０.００设计吃水Ｔ/ｍ２０.５０设计速度Ｖ/ｋｎ１４.００表４㊀ＶＬＣＣ计算数据对比弗芳德数Ｆｒ模型速度Ｖｍ/(ｍ ｓ－１)阻力值/Ｎ试验ＣＦＤ计算０.０９０.７５７１６.３７１６.５５０.１００.８４０１９.８３２０.０００.１１０.９２４２３.６３２３.８２０.１２１.００７２７.７３２７.８６０.１３１.０８７３２.０３３２.０８０.１４１.１７３３６.９６３７.０００.１５１.２５６４２.２６４２.２００.１６１.３３９４８.０４４７.９２０.１７１.４２３５４.４３５３.４４㊀㊀从表４可见ꎬＦｒ在０.０９~０.１７范围内ꎬＣＦＤ模拟所得的总阻力值与水池试验报告相比ꎬ误差在－１.８１９％~１.１００％之间ꎮ典型阻力变化见图３ꎮ可以看出ꎬ用于模拟的网格及相关参数设置具有良好的收敛性ꎮ图３㊀典型阻力变化兴波模拟结果见图４ꎮ兴波区域网格加密能够更好地捕捉波型ꎬ进而有利于阻力数值的模拟精度ꎮ可结合数值与波型ꎬ应用于今后的船型优化ꎮ总的来说ꎬ对于模型尺度总阻力ꎬＣＦＤ模拟得到的阻力与实验数据对比误差均在２％以内ꎬ在各速度点都有可靠的阻力精度ꎮ在设计航速附近的误差小于１％ꎬ认为能够利用ＣＦＤ对该类船舶阻力进行有效的预估计算ꎮ３㊀结论在以往的ＣＦＤ模拟中ꎬ数值的精度有限ꎬ不图４㊀自由液面能对船舶总阻力进行准确稳定的预估ꎬ多进行定性的比较分析ꎮ随着计算流体力学理论应用与软件的发展ꎬ能够对船舶阻力值进行更加准确的计算ꎮ以两不同船舶线型为对象ꎬ总阻力的模拟计算结果表明ꎬ与水池试验相比ꎬ利用ＣＦＤ进行总阻力预报具有较高的数值模拟精度ꎮ结合ＶＯＦ法与波系范围内的网格加密ꎬ能够准确地捕捉产生的兴波ꎮ采用Ｓｔａｎｄａｒｄｋ－ε模型ꎬ对选取的肥大型船在设计航速附近能够达到１％以内ꎬ在整个速度取值范围均在２％内ꎮ故在今后的船体线型评估与对比中ꎬ能够充分利用该方法进行多线型的阻力精确预估与分析ꎮ对继续深入开展船舶ＣＦＤ的仿真应用ꎬ充分发挥ＣＦＤ工具在船舶开发中的作用ꎬ具有重要的工程意义ꎮ参考文献[１]倪崇本ꎬ朱仁传ꎬ缪国平ꎬ等.一种基于ＣＦＤ的船舶总阻力预报方法[Ｊ].水动力学研究与进展Ａ辑ꎬ２０１０ꎬ２５(５):５７９￣５８６.[２]ＲＡＶＥＮＨＯＹＴＥＣꎬＳＴＡＲＫＥＢＲＡＭ.Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｔｏｃｏｍｐｕｔｅｓｔｅａｄｙｓｈｉｐｖｉｓｃｏｕｓｆｌｏｗｗｉｔｈｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅ[Ｃ].２４ｔｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＮａｖａｌＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓꎬＦｕｋｕ￣ｏｋａꎬＪａｐａｎꎬ２００２.[３]ＳＣＨＷＥＩＧＨＯＦＥＲＪ.ＲＥＧＮＳＴＲＯＭＢ.ＳＴＡＲＫＥＡ.Ｒ.Ｇ.Ｔｚａｂｉｒａｓ.ＶｉｓｃｏｕｓｆｌｏｗｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｏｆｔｗｏｅｘｉｓｔｉｎｇｖｅｓｓｅｌｓａｔｍｏｄｅｌａｎｄｆｕｌｌｓｃａｌｅｓｈｉｐＲｅｙｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒｓ￣ａｓｔｕｄｙｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈｉｎｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＵｎｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔＥＦ￣ＦＯＲＴ[Ｃ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＭｅｔｈｏｄｓｉｎＭａｒｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００５.[４]刘应中ꎬ张怀新ꎬ李谊乐ꎬ等.２１世纪的船舶性能计算和ＲＡＮＳ方程[Ｊ].船舶力学ꎬ２００１(５):６６￣８４.[５]张亮ꎬ李云波.流体力学[Ｍ].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社ꎬ２００８[６]曲宁宁.基于黏流阻力数值计算的肥大型船尾部线２７１型优化方法研究[Ｄ].上海:上海船舶及海洋工程研究所ꎬ２０１１.[７]黄少锋ꎬ张志荣ꎬ赵峰ꎬ等.带自由面肥大船粘性绕流场的数值模拟[Ｊ].船舶力学ꎬ２００８(１):４６￣５３.ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＳｈｉｐＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＢａｓｅｄｏｎＣＦＤＭｅｔｈｏｄＣＨＥＮＱｉａｎꎬＺＨＡＪｉｎｇ￣ｊｉｎｇꎬＬＩＵｇａｎｇ(ＳｈａｎｇｈａｉＷａｉｇａｏｑｉａｏＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈａｎｇｈａｉ２００１３７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｃｕｒａｔｅｌｙｐｒｅｄｉｃｔｓｈｉｐｔｏｔａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｂｙｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ(ＣＦＤ)ｍｅｔｈｏｄꎬｔｗｏｓｈｉｐｌｉｎｅｓｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄｓｉｎｃａｌｍｗａｔｅｒ.Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｓｙｍｍｅｔｒｙｏｆｔｈｅｈｕｌｌꎬｔｈｅｈａｌｆｍｏｄ￣ｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅꎬａｎｄｌｏｃａｌｍｅｓｈｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｍｅｓｈｅｓａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ.ＴｈｅＶＯＦｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｃａｐｔｕｒｅｔｈｅｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｓｈｉｐｍｏｄｅｌｔｅｓｔｄａｔａꎬｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｈｉｇｈｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌａｃｃｕｒａｃｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＣＦＤꎻｔｏｔａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅꎻｖｉｓｃｏｕｓｆｌｏｗꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ(上接第１６９页)图６㊀基座弹簧力图参考文献[１]李海洲ꎬ李小灵ꎬ陈建平ꎬ等.Ａ型液舱超大型全冷式液化气船结构设计研究[Ｊ].船舶与海洋工程ꎬ２０１６ꎬ３２(１):２３￣２８.[２]郑双燕ꎬ范鹏ꎬ柳卫东ꎬ等.大型全冷式液化气船(ＶＬ￣ＧＣ)总体设计研究[Ｊ].船舶工程ꎬ２０１４ꎬ３６(５):１８￣２１.[３]ＬｌｏｙｄᶄｓＲｅｇｉｓｔｅｒ.Ｒｕｌｅｓａｎｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｅｏｎｓｔｒｕｃ￣ｔｉｏｎａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｈｉｐｓｆｏｒｔｈｅｃａｒｒｉａｇｅｏｆｌｉｑｕｅ￣ｆｉｅｄｇａｓｅｓｉｎｂｕｌｋ[Ｓ].ＬＲꎬ２０１７.[４]ＬｌｏｙｄᶄｓＲｅｇｉｓｔｅｒ.ＰｒｉｍａｒｙｈｕｌｌａｎｄｃａｒｇｏｔａｎｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｙｐｅａｔａｎｋＬＰＧｓｈｉｐｓ[Ｓ].ＬＲꎬ２０１７[５]ＩＭＯ.Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｃｏｄｅｆｏｒｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｅｑｕｉｐ￣ｍｅｎｔｏｆｓｈｉｐｓｃａｒｒｙｉｎｇｌｉｑｕｅｆｉｅｄｇａｓｅｓｉｎｂｕｌｋＩＧＣｃｏｄｅ[Ｓ].ＩＭＯꎬ２０１３.[６]郑雷ꎬ李小灵ꎬ王亮ꎬ等.ＶＬＧＣ全船结构有限元分析研究[Ｊ].船舶工程ꎬ２０１５ꎬ３７(增刊１):２８￣３１.ＤｅｓｉｇｎＭｅｔｈｏｄｏｆＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＳｕｐｐｏｒｔｆｏｒＶＬＧＣＧＵＯＹａｎ￣ｓｏｎｇꎬＧＵＡＮＹｕｅ￣ｒａｎ(ＳｈａｎｇｈａｉＷａｉｇａｏｑｉａｏＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈａｎｇｈａｉ２００１３７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｖｅｒｙｌａｒｇｅｌｉｑｕｅｆｉｅｄｇａｓｃａｒｒｉｅｒ(ＶＬＧＣ)ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｕｐｐｏｒｔｗａｓｄｉｒｅｃｔｌｙａｓ￣ｓｅｓｓｅｄｂｙＭＳＣ.ＰａｔｒａｎａｎｄＭＳＣ.Ｎａｓｔｒａｎ.Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｒｏｍｔｈｅｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｄｅｓｉｇｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｏｒｃｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｔｏｔｈｅｆｉｎａｌｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｖｅｒｙｌａｒｇｅｌｉｑｕｅｆｉｅｄｇａｓｃａｒｒｉｅｒ(ＶＬＧＣ)ꎻＦＥＭꎻｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ３７１。
基于CFD的船舶阻力性能综合研究
3、实验方案及选材
为了深入探究船舶阻力性能，本次演示设计了一套实验方案。首先，我们选 择了一艘常规的货船作为研究对象，并对其进行了详细的几何建模和网格划分。 实验过程中考虑了多种因素，如船体形状、表面粗糙度、航速等。我们通过调节 航速和改变船体表面的处理方式等方法，观察它们对船舶阻力性能的影响。
五、总结与展望
本次演示基于CFD方法，对船舶阻力计算与预报进行了详细的论述。通过算 例分析与实验研究，验证了本次演示所提出方法的准确性和有效性。本次演示也 分析了船舶阻力计算与预报中的关键问题，并针对这些问题提出了相应的解决方 案或措施。
展望未来，基于CFD的船舶阻力计算与预报研究还有许多值得深入探讨的方 向。如进一步改进湍流模型和壁面处理方法以提高预报精度；研究更为高效的求 解方法和算法优化技术以提升计算效率；结合智能化技术和数据挖掘方法实现船 舶阻力的智能预报等。
四、算例分析与实验研究
本次演示选取一艘典型的货船作为算例，利用上述方法进行船舶阻力计算与 预报。通过对计算结果与实验数据的对比分析，验证了本次演示所提出方法的准 确性和有效性。
首先，我们对货船进行网格生成和离散化处理，然后采用合适的湍流模型和 壁面处理方法进行数值模拟。在设置好边界条件和初始条件后，选用高效的求解 方法和算法优化技术进行计算。最后，将计算结果与实验数据进行对比分析，得 出结论。
基于CFD的船舶阻力性能综合研究
01 摘要
目录
02 参考内容
摘要
本次演示旨在利用计算流体力学（CFD）方法对船舶阻力性能进行综合研究。 首先，本次演示介绍了研究背景、目的和意义，阐述了船舶阻力性能对于航运和 经济的重要性。接着，本次演示简要介绍了CFD-3D软件的基本原理和应用，以及 计算流体力学与传统力学之间的区别与。
CFD在舰船阻力性能优化中的应用
（2）优化前后波高等值线及舷侧纵切波形的比较（见图 7、8）
优化前
优化后
波高/船长
纵向位置/船长
图 7 波高等值线的比较
图 8 舷侧纵切波形比较（y/L=0.01）
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母型A
改进船型
图 9 优化前后线型对比 从优化前后的结果对比可以看出，优化后船型的兴波阻力下降了 10.8%，而湿表面积、 浮心位置、排水量分别变化了 0.8%、0.4%、0.4%。从图 7 可以看到优化后船首部位的波形 数减少了， 而图 8 则进一步说明优化后在船首附近的波形切片幅值变小了。 图 9 为优化前后 的线型比较，从图 9 可以看到，优化后声纳罩的曲面显得更为丰满，同时声纳罩向前延伸了 一点。 3 结 语 本文在分析基于 CFD 的船型阻力性能优化流程的基础上， 以戴维-泰勒水池(DTMB)5415 船模的声纳罩为优化对象，利用课题组开发的船体型线多学科设计优化平台完成了优化工 作，结论如下： （1）本文所开发的船型参数化融合模块是可行的，随着母型数量的增多，经融合后将 会生成丰富多样的声纳罩外形，而且生成的曲面是光顺的，这保证了优化结果的可行性。 （2）母型库的建立区别于传统的优秀船型库，本文所阐述的母型库是指尽可能复杂而 多变的船体外形，在建库时不需要考虑船型性能好坏，也不需要考虑排水量等约束，如本文 中变型 C。这些特点大大方便了设计人员的建库工作。 （3）船型参数化融合模块是基于 NURBS 理论开发，这保证了和现有 CAD 系统的兼容 性。同时，由于该模块是以母型为基础通过融合的方式产生新船型，摆脱了船型参数化几何 表达的限制， 故该模块理论上可以应用于任何复杂船型， 这为船型优化系统走向实用化打下 了基础。 （4）在本文优化实例中，将排水量、浮心位置、湿表面积等作为约束条件，保证了优 化结果具有工程应用价值。 后期的研究还需要考虑将总布置等约束条件纳入到船型优化系统 当中，以进一步增强其工程实用性。
基于CFD的船舶阻力预报方法分析
基于CFD的船舶阻力预报方法分析作者：范超张振来源：《科学与财富》2018年第19期摘要：在船舶行驶运输的过程中，船舶阻力是影响船舶速度的主要因素，船舶阻力性能优越不但可以提高船舶的运输效率，可以大大的节约运输成本，提高船舶的经济性能，同时对船舶的行驶安全和使用寿命都有较大的影响。
船舶阻力性能的评估一直是船舶整体性能优化的重要依据，阻力的预报也是船舶工程长期研究的重要内容之一，在研究过程中中，通过分析船舶阻力的形成因素和预报手段最终总结出了通过CFD理论进行阻力预报的方法，而该方法在船舶阻力预报中已经长时间得到广泛应用，本文首先阐述了CFD船舶阻力预报方法的应用现状，然后分析了CFD的船舶阻力预报方法的优缺点，最后总结了CFD理论在船舶行业的发展目标和方向。
关键词：船舶阻力；预报方法；CFD理论计算引言：在船舶整体运行当中最重要的性能就是阻力，船舶阻力的计算与预报一直是船舶工程发展当中所重点关注的内容，将对船舶的行驶效率、运输安全性和使用寿命产生一定的影响，现阶段船舶阻预报还是主要靠模拟实验来计算，通过模拟实验来进行预报，其精确度还是比较理想的，但是船模实验也并非是完美的，在实际操作当中还是存在着缺陷，随着计算机的发展，计算流体力学逐渐兴起，也逐渐被应用与船舶工程当中，而CDF的船舶阻力预报作为一种新型的计算方法，为现阶段船舶工程的发展做出了极大的贡献，其具有广阔的发展前景。
一、目前CFD的发展现状近几年，随着国内科技的快速发展与创新，计算机技术的不断成熟，计算流体力学也得到了进一步发展，由于CFD计算船舶阻力的方法具有费用低廉，没有触点流场测量，没有比尺效应，同时有效排除了实验中由传感器的形态以及实验器材发生形变等不良因素对整体预报结果产生的影响，由于CDF的预报模式最终得到的整体实验数据相对清晰、全面，因此该预报方法近年来得到了船舶工程及相关产业的高度重视，在船舶生产、使用、维护的整体过程中的应用也越发广泛。
基于CFD的船舶阻力预报
２ Ｏ ０８．
作者简介 ： 王易晨（ １ ９ ９ １ 一 ） ， 上海海事大学硕 士研 究生 ， 研 究方 向为船舶 流体特性分析 。
２ 船型 参 数 及 建 模
文章 以实际复杂船型（ 渔政船 ） 为算例 ， 对 船舶阻力进行 预报 。
该 船 型 的 主 要 船 型参 数 如 表 １ 。 表 １ 船 舶 主 尺度
计 算域 及网格划分： 图 ２计算总阻力与试验值 比较 船舶主体一般是关于 中纵剖面对称 ， 所 以在计算船舶 阻力 的时 ５ 结论 候， 为 了减少计算量可以只建立半个船体及流场 。 因为模拟二相流 ， 通过数值模拟计算 可 以发现 ， Ｒ Ａ Ｎ Ｓ 方 法下的计算结 果与试验 所以在进 口处需要进行分割 。 网格 的质量将对计算是否收敛 ， 结果 值非常接近 ， 误 差范围基本 都在以内。虽然 目前 Ｒ ａ ｎ ｋ ｉ ｎ ｅ源法是主 是 否正 确有 着 直 接 影 响 。 如 图 １ 所示 。 要预报方法 ，但 其与船模实验 的结果 比较仍 然存在一些误 差 而 Ｒ Ａ Ｎ Ｓ 方 法 可 以达 到理 想 的 预报 结 果 ， 可 以较 为 准确 的 预 报 船 舶 阳 力。 参 考 文献 【 １ １ 郑 小 龙， 黄胜， 尚 秀敏 ． 基于Ｃ Ｆ Ｄ的 船 舶 阻 力预 报 方 法 研 究… ． 江 苏 科技大学学报， ２ ０ １ ４ ， ２ ８ （ ２ ） ： １ ０ ９ — １ １ ２ ． ［ ２ １ ４ Ｐ ￣ 崇本． 一种基 于 Ｃ Ｆ Ｄ的船舶 总 阻力预报 方法…． 水动 力学研究
合， 可 以达 到 阻力预 报 的效 果 。
关键词 ： 雷诺 平 均 法 ； Ｃ Ｆ Ｄ； 数 值模 拟 ； 船 舶 阻力
CFD在船型阻力优化的应用
CFD在船型阻力优化的应用1 前言船舶的水动力性能(快速性、适航性、操纵性)是由绕船的流场特性而决定，从理论上讲通过求解描述流场特性的流体动力学方程就能对相应的水动力性能做出预报。
然而，由于自由面的存在、船体几何形状复杂(特别是船尾)、附体较多，导致自由面水波、流体分离、旋涡等现象的出现，使得流场中的流动结构很复杂，即使有了描述流动过程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，长期以来船模试验便成了研究船舶周围流场特性的一个必不可少的手段。
然而，船模试验不仅周期长、费用高、很难得到详细的局部流场信息，同时因为尺度效应，船模实际上并不能真实地再现实船的流动情况，存在很大的局限性。
新的水动力性能预报手段的引入己十分必要。
计算流体力学(Computational Fluld Dy namics) 是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并对上述现象进行过程模拟。
用它来进行流体动力学的基础研究，其主要优点是能以较少的费用和较短的时间来获得大量有价值的研究结果。
随着计算机技术的飞速发展，数值方法不断改进，CFD 的计算精度不断提高以至满足工程实用要求逐渐成为可能，正成为研究船舶水动力性能的一种新的、快速而经济的重要工具。
较为成功的应用实例是耐波性的计算程序的普及，升力线、升力面理论已取代了螺旋桨图谱设计。
船舶阻力的CFD 计算尽管存在自由表面、高雷诺数等多种难题，但近30年来通过人们不懈的努力，从势流理论线性计算到非线性计算，从理想流体到粘性流体，从薄边界层到全NS 方程的求解，直至考虑自由面的NS方程的求解，CFD方法在计算能力和实用方面都发生了深刻的变化。
过去只是在大学和研究机构才有的计算方法，如今已有很多商业化的CFD 软件可以应用。
2 CFD 技术在舰船总体性能设计与试验相比的优势目前在船舶水动力研究上，CFD技术与试验互补，与试验结合，对试验提供辅助，使试验功能强化，由CFD技术获于取试验无法观察或难以观察到的流动信息或性能信息。
基于CFD的船舶船体总阻力预报方法
基于CFD的船舶船体总阻力预报方法CFD是计算流体力学的缩写，是用于分析流动场和计算阻力的一种数值分析技术，被广泛应用于船舶航行性能的研究中。
船舶航行受到水的阻力影响，因此预报船体总阻力是航行设计的重要环节之一。
下面我们将介绍一种基于CFD的船舶船体总阻力预报方法。
首先，我们需要获取船体CAD模型，并将其转换成CFD模型。
这可以通过将船体CAD模型导入专业CFD软件中实现。
在导入后，我们需要对该模型进行网格划分。
网格划分是CFD仿真的关键，它直接影响着计算的准确性和效率。
通常使用的网格划分有结构化和非结构化两种，根据具体情况选择更合适的划分方式。
划分完成后，我们可以开始进行计算。
CFD计算分为两个步骤，第一步是求解流场，第二步是求解阻力。
在求解流场时，我们需要确定边界条件和流体动力学模型。
边界条件决定了计算模拟的流体力学环境，如流速、压力等。
流体动力学模型根据流体动量守恒、能量守恒和质量守恒原理进行建模，它是计算模型的核心。
求解完流场后，我们就可以得到船舶水上表面的压力分布，从而可以进入第二步。
在求解阻力时，我们可以采用CFD直接计算或计算流体力学辅助设计（CFD-Aided Design，CAD）的方法。
CFD直接计算是通过计算船体表面的摩阻、压力和粘滞阻力等来得到总阻力。
这种方法计算比较直接，但在精度上相对较低。
而CFD-Aided Design方法是在CFD计算的基础上，将得到的阻力值进行预测和优化，同时还可以对设计参数进行调整，从而得到更准确的预报结果。
最后，我们对CFD计算结果进行验证。
CFD计算结果需要与模型试验结果进行比对来验证其准确性。
我们可以通过数值模拟得到船舶在不同航速下的阻力系数（即船舶所受总阻力与动压力之比），并与实测值进行比较，从而可以验证CFD计算的可靠性和准确性。
如果CFD计算结果与试验结果相差不大，则说明所采用的计算方法比较可靠。
以上就是基于CFD的船舶船体总阻力预报方法的介绍。
基于CFD的渔船船体阻力性能预估方法
山东科学ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ第３３卷第３期２０２０年６月出版Ｖｏｌ.３３Ｎｏ.３Ｊｕｎ.２０２０ＤＯＩ:１０.３９７６/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２￣４０２６.２０２０.０３.００５ʌ海洋科技与装备ɔ收稿日期:２０２０￣１０￣２５基金项目:山东省重大科技创新工程(２０１８ＣＸＧＣ０１０４)ꎻ山东省科学院院地产学研协同创新基金(２０１８ＣＸＹ￣３２ꎬ２０１８ＣＸＹ￣３７)作者简介:于慧彬(１９８０ )ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ研究方向为海洋工程ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｂｉｎｂｉｎｙｕ＠１６３.ｃｏｍ∗通信作者ꎬ于东(１９９０ )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ研究方向为船舶水动力性能研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｙｕｄｏｎｇ０２０６＠１２６.ｃｏｍ基于ＣＦＤ的渔船船体阻力性能预估方法于慧彬１ꎬ张琦１ꎬ李小峰１ꎬ刘铁生１ꎬ于东２∗ꎬ桂洪斌２(１.齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院海洋仪器仪表研究所ꎬ山东青岛２６６０００ꎻ２.哈尔滨工业大学(威海)海洋工程学院ꎬ山东威海２６４２０９)摘要:为了预估渔船实船阻力ꎬ以一艘１１.７５ｍ渔船为研究对象ꎬ基于ＣＦＤ方法给出了一套完整的由船模阻力数值仿真到实船阻力换算的方法ꎮ结果表明:该方法可以有效地预估渔船船体阻力ꎬ减少设计成本ꎻ结合船舶在水中的垂向水动力ꎬ对阻力曲线中的峰值点和谷值点成因进行了分析ꎬ阐释了船舶阻力随航速的增加先增大后减小的原因ꎮ关键词:ＣＦＤꎻＳＴＡＲ￣ＣＣＭ＋ꎻ阻力ꎻ垂向水动力ꎻ峰值点ꎻ谷值点中图分类号:Ｕ６６１.４３㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００２￣４０２６(２０２０)０３￣００３５￣０５开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):Ｐｒｅ￣ｅｓｔｉｍａｔｅｏｆｔｈｅｆｕｌｌ￣ｓｃａｌｅｆｉｓｈｉｎｇｓｈｉｐｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣＦＤｍｅｔｈｏｄＹＵＨｕｉ￣ｂｉｎ１ꎬＺＨＡＮＧＱｉ１ꎬＬＩＸｉａｏ￣ｆｅｎｇ１ꎬＬＩＵＴｉｅ￣ｓｈｅｎｇ１ꎬＹＵＤｏｎｇ２∗ꎬＧＵＩＨｏｎｇ￣ｂｉｎ２(１.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎꎬＱｉｌｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ)ꎬＱｉｎｇｄａｏ２６６０００ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＷｅｉｈａｉ２６４２０９ꎬＣｈｉｎａ)ＡｂｓｔｒａｃｔʒＴｏｐｒｅ￣ｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｆｕｌｌ￣ｓｃａｌｅｆｉｓｈｉｎｇｓｈｉｐｒｅｓｉｓｔａｎｃｅꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓａ１１.７５ｍｆｉｓｈｉｎｇｓｈｉｐａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔꎬａｎｄａｃｏｍｐｌｅｔｅｓｅｔｏｆｍｅｔｈｏｄｓｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｃｏｎｖｅｒｔｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｓｈｉｐｍｏｄｅｌｔｏａｆｕｌｌ￣ｓｃａｌｅｓｈｉｐｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣＦＤｍｅｔｈｏｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｄｅｎｏｔｅｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｈｕｌｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｆｉｓｈｉｎｇｓｈｉｐｓａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｏｓｔ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｏｆｔｈｅｓｈｉｐꎬｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｆｏｒｔｈｅｐｅａｋｐｏｉｎｔａｎｄｖａｌｌｅｙｐｏｉｎｔｏｎｔｈｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｅｘｐｌａｉｎｉｎｇｔｈｅｍａｎｎｅｒｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｉｎｉｔｉａｌｌｙａｎｄｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｓｈｉｐ.ＫｅｙｗｏｒｄｓʒＣＦＤꎻＳＴＡＲ￣ＣＣＭ＋ꎻｒｅｓｉｓｔａｎｃｅꎻｖｅｒｔｉｃａｌｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃꎻｐｅａｋｐｏｉｎｔꎻｖａｌｌｅｙｐｏｉｎｔ㊀㊀渔船与其他类型的船舶相比ꎬ其主尺度及载重吨位较小ꎬ建造技术水平较低[１]ꎮ由于建造费用较同等吨位的其他船舶低许多ꎬ阻力预估试验成本较高ꎬ渔船在设计时通常没有多余的资金来支持船模阻力试验ꎮ而渔船的阻力情况又与其快速性以及续航力息息相关ꎬ且近年来ꎬ人们对于渔船设计建造的要求越来越高ꎬ对其阻力估算的准确性要求也日益提高ꎮ随着信息技术的发展ꎬ计算流体动力学(ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄ山㊀东㊀科㊀学２０２０年ｄｙｎａｍｉｃｓꎬＣＦＤ)仿真模拟技术逐步应用到渔船设计领域ꎬ可有效提高设计人员对渔船的研发能力[２￣５]ꎮ研究人员在渔船阻力预估上开展了较多研究ꎬ李纳等[６]基于ＣＦＤ技术分析了拖网渔船的阻力特性ꎬ李晓文等[７]运用商用ＣＦＤ软件计算了滑行艇阻力并数值模拟了滑行艇的直航运动ꎮ但是ꎬ目前运用ＣＦＤ对渔船船体阻力性能进行预估的相关文献并不多见ꎮ本文通过对一艘１１.７５ｍ的玻璃钢材质渔船采用ＣＦＤ软件ＳＴＡＲ￣ＣＣＭ＋进行数值模拟ꎬ详细阐述了渔船的阻力预估方法ꎬ并分析了该船的阻力性能ꎮ１㊀模型建立及计算域网格划分以一艘总长为１３.９０ｍ的沿海渔船作为参考模型ꎬ其设计水线长为１１.７５ｍꎬ型宽为３.３４ｍꎬ设计吃水为０.５７２ｍꎬ方形系数为０.５３９ꎬ排水量约为１２.５ｔꎬ设计航速为１５ｋｎꎮ将该模型利用弗劳德数Ｆｒ相等的原则进行缩尺ꎬ缩尺比为４.７２ꎬ最终缩尺后的船模设计水线长约为２.４９ｍꎬ排水量约为１１５.８ｋｇꎮ采用ＡＮＳＹＳＩＣＥＭ软件对缩尺后的船体进行建模ꎬ并选取长方体计算域ꎬ其边界分别为:首部边界距船舯约１.５倍船长ꎬ尾部边界距船舯约３.５倍船长ꎬ两侧边界距船舶的中纵剖面各１倍船长ꎬ底部边界距水线面约１倍船长ꎬ顶部边界距水线面约０.３倍船长ꎮ该计算域既能够使得其边界距船体有足够大的距离以避免固体壁面对于计算域边界的干扰ꎬ还能使得船体尾部流场得到充分的发展ꎬ以更好地模拟船体周围的流场ꎬ同时还可以使得船体计算域足够简化ꎬ以避免网格过多影响计算效率[７]ꎮ船体建模后的数值模型及计算域模型分别见图１及图２ꎮ图１㊀船体的数值模型Ｆｉｇ.１㊀Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｈｉｐ图２㊀计算域模型Ｆｉｇ.２㊀Ｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎｍｏｄｅｌ采用四面体八叉树结构对计算域进行网格划分ꎬ在网格划分时ꎬ对船体首部曲率较大处进行网格加密ꎬ以便更好地拟合船体首部的形状ꎬ同时对船体周围计算域垂向方向的网格进行了加密ꎬ以便在计算时更好地模拟并捕捉自由液面ꎮ最终将计算域离散为１３７.５万非结构化网格ꎮ船体及计算域的网格划分情况分别见图３及图４ꎮ图３㊀船体网格划分Ｆｉｇ.３㊀Ｍｅｓｈｉｎｇｏｆｔｈｅｈｕｌｌ图４㊀计算域网格划分Ｆｉｇ.４㊀Ｍｅｓｈｉｎｇｏｆｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎ２㊀实船阻力的计算方法与结果分析２.１㊀船模阻力数值模拟采用ＣＦＤ软件ＳＴＡＲ￣ＣＣＭ＋对船模阻力进行数值模拟ꎬ湍流模型选用ＳＳＴｋ￣ω模型ꎬ采取计算域随船模一起运动的方式ꎮ计算域的边界条件设定为:船首方向边界及上下左右四周边界采用 速度入口 条件ꎬ船尾方向边界采用 压力出口 条件ꎬ船体模型边界采用 壁面 条件ꎮ自由液面采用ＶＯＦ(ｖｏｌｕｍｅｏｆｆｌｕｉｄ)两相流方法进行捕捉ꎬ对流项采用一阶迎风格式差分ꎬ计算时间步长为０.０１ｓꎮ６３第３期于慧彬ꎬ等:基于ＣＦＤ的渔船船体阻力性能预估方法综合考虑该船的船体较小㊁航速较高等因素ꎬ对船模在实船航速Ｖｓ为３ꎬ５ꎬ７ꎬ１０ꎬ１２ꎬ１５ꎬ１６ꎬ１７ꎬ２０ｋｎ时进行数值模拟ꎬ模拟时ꎬ船模的航速依据弗劳德数(Ｆｒ)相等的原则进行换算得出ꎮ船模的航速值Ｖｍ分别为０.７１７ꎬ１.１９５ꎬ１.６７３ꎬ２.３９０ꎬ２.８６８ꎬ３.５８５ꎬ３.８２４ꎬ４.０６３ꎬ４.７８０ｍ/ｓꎮ通过数值模拟得到的船模阻力值见表１ꎮ表１㊀船模阻力值５０.２１９４８８１.１９４９８３１５.１５７３０７０.３０７２８３１.６７２９７６３３.８３８３０１００.４３８９７５２.３８９９６６７４.３６５６０１２０.５２６７７０２.８６７９５９９７.０２４４０１５０.６５８４６３３.５８４９４９１２０.９３０００１６０.７０２３６０３.８２３９４５１２２.９４０００１７０.７４６２５８４.０６２９４２１２３.３９０００２００.８７７９５０４.７７９９３２１８８.６２２００注:Ｒｍ为船模阻力ꎮ２.２㊀实船阻力换算方法研究船模航速在确定时是根据弗劳德数相等的原则换算得出的ꎬ该原则主要考虑了缩尺比对于兴波阻力的影响ꎬ而忽略了其对于粘性阻力的影响[８]ꎬ船舶粘性阻力中最主要的构成部分是摩擦阻力(约占８５％~９０％)[９]ꎬ因此在对实船阻力进行换算时应分别对摩擦阻力与剩余阻力进行计算ꎮ根据船模阻力换算实船阻力的方法流程如下ꎮ根据表１中的船模阻力值计算船模的总阻力系数Ｃｔ:Ｃｔ＝Ｒｔ０.５ρｖ２Ｓꎬ(１)式中ꎬＲｔ为船体总阻力ꎬρ为密度ꎬｖ为航速ꎬＳ为浸水表面积ꎮ根据１９５７ＩＴＴＣ公式计算船模与实船的摩擦阻力系数Ｃｆ:Ｃｆ＝０.０７５(ｌｇＲｅ－２)２ꎮ(２)根据弗劳德阻力分类方法ꎬ船舶在静水中运动时所受到的阻力可分为摩擦阻力与剩余阻力ꎬ因此船舶的总阻力系数等于其摩擦阻力系数与剩余阻力系数之和ꎬ即:Ｃｔ＝Ｃｒ＋Ｃｆꎬ(３)式中ꎬＣｒ为船舶在静水中运动时的剩余阻力ꎮ由于对缩尺后的船模模拟工况进行确定时ꎬ无法满足弗劳德数Ｆｒ和雷诺数Ｒｅ同时相等ꎬ而Ｆｒ主要影响船舶的剩余阻力ꎬＲｅ主要影响船舶的摩擦阻力ꎬ对缩尺后的船模模拟工况进行确定时ꎬ采用了Ｆｒ相等的原则ꎬ因此船模的剩余阻力系数Ｃｒｍ与实船的剩余阻力系数Ｃｒｓ是相等的ꎬ即:Ｃｒｓ＝Ｃｒｍ＝Ｃｔｍ－Ｃｆｍꎬ(４)式中ꎬＣｔｍ为船模总阻力系数ꎬＣｆｍ为船模摩擦阻力系数ꎮ由于Ｒｅ不同ꎬ船模与实船的摩擦阻力系数是不同的ꎬ需分别进行计算以确定实船的总阻力系数Ｃｔｓ:Ｃｔｓ＝Ｃｒｓ＋Ｃｆｓꎬ(５)式中ꎬＣｆｓ为实船摩擦阻力系数ꎮ根据公式(１)~(５)及表１中的数据可求得实船的阻力值ꎬ见表２ꎮ根据表２中的数据可绘制实船的阻力曲线ꎬ见图５ꎮ７３山㊀东㊀科㊀学２０２０年表２㊀实船的阻力值５１５.１５７３００.０１４２０３０.００３７８５０.０１０４１８０.００２５１７０.０１２９３６１３７３.７３３０７３３.８３８３００.０１６１７８０.００３５４８０.０１２６３００.００２３８８０.０１５０１８３１２５.８４３０１０７４.３６５６００.０１７４２１０.００３３２１０.０１４１０１０.００２２６１０.０１６３６２６９５０.２０３０１２９７.０２４４００.０１５７８４０.００３２１３０.０１２５７２０.００２２０００.０１４７７２９０３５.８２８０１５１２０.９３００００.０１２５９１０.００３０８７０.００９５０３０.００２１２９０.０１１６３２１１１１８.０６００１６１２２.９４００００.０１１２５００.００３０５３０.００８１９８０.００２１０９０.０１０３０７１１２０７.８９００１７１２３.３９００００.０１０００２０.００３０２００.００６９８２０.００２０９００.００９０７２１１１３７.３１００２０１８８.６２２０００.０１１０４７０.００２９３７０.００８１１００.００２０４２０.０１０１５２１７２５０.２５００㊀㊀注:Ｒｓ为实船阻力ꎮ图５㊀１３.９ｍ渔船的阻力曲线Ｆｉｇ.５㊀Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅ１３.９ｍｆｉｓｈｉｎｇｓｈｉｐ由表２可知ꎬ该渔船在其设计航速为１５ｋｎ时的阻力值约为１１１１８Ｎꎮ从图５中可以看出ꎬ船舶航速低于１５ｋｎ时ꎬ船舶的阻力值随着航速的增加而增大ꎻ船舶航速高于１７ｋｎ时ꎬ船舶的阻力值亦是随着航速的增加而增大ꎻ但是当船舶的航速在１５~１７ｋｎ时ꎬ船舶的阻力值随着航速的增加先增大后减小而后继续增大ꎬ这使得阻力曲线在该区间内产生了一个阻力峰值点和一个阻力谷值点ꎬ其峰值点处的航速约为１５.５ｋｎꎬ谷值点处的航速约为１６.５ｋｎꎮ对该船模型在不同航速时的垂向水动力(如图６所示)进行分析ꎬ可以看出ꎬ当船舶在水中高速航行时ꎬ船舶的垂向水动力小于船舶的重力ꎬ这说明船舶在高速航行时产生了出水的现象ꎬ且随着航速的增加船体的出水幅度增大ꎬ而船体出水会使得船舶的湿表面积和水线面长度减小ꎬ这会直接导致船舶在同等航速时粘性阻力和兴波阻力的减小ꎮ当航速由低速到高速逐渐增大时ꎬ船舶由于出水幅度较小ꎬ阻力增大速率较快ꎻ而当船舶在高速阶段时ꎬ由于船舶出水幅度较大ꎬ使得由于船舶出水而产生的阻力减小量增大ꎬ因此这一阶段船舶的总阻力增加速率减缓ꎻ而船舶航速在１５.５~１６.５ｋｎ时ꎬ船舶由于出水产生的阻力减小量大于由于航速增加而产生的阻力增大量ꎬ因此这一阶段船舶的总阻力随着航速的增加而减小ꎮ由于船舶本身具有一定的重量ꎬ因此当船舶的航速达到了一定的值时随着航速的增加ꎬ船舶的出水幅度随之减小ꎬ使得由于船体出水产生的阻力减小值小于８３第３期于慧彬ꎬ等:基于ＣＦＤ的渔船船体阻力性能预估方法由于航速增大产生的阻力增大值时ꎬ船舶的总阻力将继续呈增大的趋势ꎮ图６㊀船模的垂向水动力随时间变化的曲线Ｆｉｇ.６㊀Ｖｅｒｔｉｃａｌｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ３㊀结论(１)船舶在设计航速１５ｋｎ时的实船总阻力值约为１１１１８Ｎꎮ(２)随着船舶航速的增加ꎬ船舶的总阻力值先增大后减小ꎬ并且在１５.５ｋｎ处形成阻力峰值点ꎬ在１６ ５ｋｎ处形成阻力谷值点ꎮ(３)随着船舶航速的增加ꎬ产生了出水的现象ꎬ导致了船舶在一定的航速区间内随着航速的增加ꎬ总阻力增速减缓ꎬ甚至在１５.５~１６.５ｋｎ这一区间内船舶总阻力产生减小的现象ꎮ参考文献:[１]张晓君ꎬ杨校刚ꎬ王向前.基于ＣＦＤ的拖网渔船阻力计算及试验验证[Ｊ].浙江海洋学院学报(自然科学版)ꎬ２００９ꎬ２８(１):１￣４.[２]ＴＡＨＡＲＡＹꎬＴＯＨＹＡＭＡＳꎬＫＡＴＳＵＩＴ.ＣＦＤ￣ｂａｓｅｄｍｕｌｔｉ￣ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｈｉｐｄｅｓｉｇｎ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｆｏｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓｉｎＦｌｕｉｄｓꎬ２００６ꎬ５２(５):４９９￣５２７.ＤＯＩ:１０.１００２/ｆｌｄ.１１７８.[３]陈骞ꎬ查晶晶ꎬ刘刚.基于ＣＦＤ的船舶总阻力数值模拟[Ｊ].船海工程ꎬ２０１９ꎬ４８(２):１７０￣１７３.ＤＯＩ:１０.３９６３/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１￣７９５３.２０１９.０２.０４４.[４]黄德波ꎬ张雨新ꎬ邓锐ꎬ等.单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟[Ｊ].哈尔滨工程大学学报ꎬ２０１０ꎬ３１(６):６８３￣６８８.ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００６￣７０４３.２０１０.０６.００１.[５]邵文勃ꎬ马山ꎬ段文洋ꎬ等.基于ＣＦＤ技术的滑行艇静水阻力计算[Ｊ].船舶工程ꎬ２０１９ꎬ４１(９):４１￣４５ꎬ１３７.ＤＯＩ:１０.１３７８８/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｂｇｃ.２０１９.０９.０９.[６]李纳ꎬ梁建生.３３.２ｍ远洋双甲板拖网渔船阻力特性分析[Ｊ].渔业现代化ꎬ２０１８ꎬ４５(６):７４￣８０.ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００７￣９５８０.２０１８.０６.０１２.[７]李晓文ꎬ林壮ꎬ郭志群ꎬ等.基于Ｓｔａｒ￣ＣＣＭ＋的滑行艇水动力性能模拟计算[Ｊ].中南大学学报(自然科学版)ꎬ２０１３ꎬ４４(增刊２):１３３￣１３７.[８]胡俊明.基于ＲＡＮＳ法虚拟试验水池的船舶快速性预报研究[Ｄ].大连:大连理工大学ꎬ２０１８.[９]盛振邦ꎬ刘应中.船舶原理(上)[Ｍ].上海:上海交通大学出版社ꎬ２００３.９３山东科学ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ第３３卷第３期２０２０年６月出版Ｖｏｌ.３３Ｎｏ.３Ｊｕｎ.２０２０ＤＯＩ:１０.３９７６/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２￣４０２６.２０２０.０３.００６ʌ海洋科技与装备ɔ收稿日期:２０１９￣１２￣２０基金项目:山东省重点研发计划(２０１９ＪＺＺＹ０１０８１９ꎬ２０１９ＧＧＸ１０４０４２ꎬ２０１９ＧＳＦ１１０００９)作者简介:郝宗睿(１９８３ )ꎬ男ꎬ副教授ꎬ硕士生导师ꎬ研究方向为流体机械装备设计及研发ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｈａｏｚｒ００１＠ｓｉｎａ.ｃｏｍ基于ＰＬＣ和伺服电机的主动冲箱式造波系统的控制及实现郝宗睿ꎬ李超ꎬ张浩ꎬ华志励ꎬ任万龙(齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院海洋仪器仪表研究所ꎬ山东青岛２６６１００)摘要:为了研究在１０ｍˑ０.５ｍ的玻璃水槽内的主动冲箱造波技术ꎬ设计了基于ＰＬＣ运动控制器㊁伺服电机和驱动器㊁工控机以及浪高采集仪的造波系统ꎮ该系统根据水动力学参数在ＰＬＣ运动控制程序中实现主动造波算法ꎻ采用交流伺服驱动器并搭配相应尺寸的电机ꎬ完成楔形板的上下造波运动ꎻ通过工控机上的人机界面对造波机系统的整体状态进行控制ꎮ为了提高控制精度ꎬ该系统在伺服驱动器内部闭环控制的基础上ꎬ还增加了基于ＰＩＤ算法的波高和频率闭环控制ꎮ实际应用表明ꎬ该造波系统可通过对波形的实时反馈ꎬ保证控制的准确性和稳定性ꎬ达到了主动造波的目的ꎮ关键词:造波机ꎻＰＬＣ运动控制器ꎻ伺服电机ꎻＰＩＤ算法中图分类号:ＴＰ２３㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００２￣４０２６(２０２０)０３￣００４０￣０５开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):ＣｏｎｔｒｏｌａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆａｎａｃｔｉｖｅｓｔｒｉｋｉｎｇｂｏｘｗａｖｅｍａｋｅｒｂａｓｅｄｏｎＰＬＣａｎｄｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒＨＡＯＺｏｎｇ￣ｒｕｉꎬＬＩＣｈａｏꎬＺＨＡＮＧＨａｏꎬＨＵＡＺｈｉ￣ｌｉꎬＲＥＮＷａｎ￣ｌｏｎｇ(ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎꎬＱｉｌｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ)ꎬＱｉｎｇｄａｏ２６６１００ꎬＣｈｉｎａ)ＡｂｓｔｒａｃｔʒＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｗａｖｅｍａｋｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆａｃｔｉｖｅｓｔｒｉｋｉｎｇｂｏｘｉｎａｗｉｄｅｇｌａｓｓｗａｔｅｒｔａｎｋ(１０ｍˑ０.５ｍ)ꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｗａｖｅｍａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎａＰＬＣｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒꎬｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒａｎｄｄｒｉｖｅｒꎬｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｗａｖｅｈｅｉｇｈｔａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ.ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓａｎａｃｔｉｖｅｗａｖｅｍａｋｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎｔｈｅＰＬＣｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ.ＩｔｎｏｔｏｎｌｙｕｓｅｓｔｈｅＡＣｓｅｒｖｏｄｒｉｖｅｒａｎｄｔｈｅｍｏｔｏｒｏｆｔｈｅｓａｍｅｓｉｚｅｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｗａｖｅｍａｋｉｎｇｕｎｄｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｗｅｄｇｅｐｌａｔｅꎬｂｕｔａｌｓｏｃｏｎｔｒｏｌｓｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｗａｖｅｍａｋｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓｙｓｔｅｍｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍａｎ￣ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｍｐｕｔｅｒ.Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙꎬｔｈｅｃｌｏｓｅｄ￣ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｏｆｗａｖｅｈｅｉｇｈｔａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｓｅｄｏｎａＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓａｄｄｅｄｔｏｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｃｌｏｓｅｄ￣ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｓｅｒｖｏｄｒｉｖｅｒ.Ａｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｅｎｓｕｒｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｎｔｒｏｌｂｙｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｆｅｅｄｂａｃｋ。
基于CFD的船舶阻力性能综合研究
基于CFD的船舶阻力性能综合研究船舶阻力是描述船舶在行驶时所受到的阻碍力量，它对船舶的性能和能耗具有重要影响。
基于计算流体力学（CFD）的船舶阻力性能综合研究，可以通过数值模拟和分析方法，探索船舶阻力的形成机理、降低阻力的方法以及相关性能指标的优化。
首先，基于CFD的船舶阻力性能综合研究可以通过数值模拟计算流场，分析船体与流体之间的相互作用。
通过模拟不同船型、尺寸和运行工况下的流场情况，可以获得船舶阻力的大小和分布情况。
同时，还可以探究不同因素对船舶阻力的影响，如船舶速度、推进器结构、流体粘度等，以及船体表面状况对阻力的影响。
其次，基于CFD的船舶阻力性能综合研究可以通过减小船体的阻力来提升船舶的性能。
通过数值模拟优化船舶的造型，可以减小船体表面的阻力，如减小局部细节和凹凸部分，提高船体的光滑性。
此外，研究船舶的船型参数，如船长、船宽和吃水深度等，以及船体的水动力性能，如气动、流线型设计等，也是优化船舶阻力的关键因素。
最后，基于CFD的船舶阻力性能综合研究可以通过优化相关性能指标来提升船舶的能耗效率。
通过模拟不同航行工况下的能耗情况，可以评估船舶的能源利用效率，如推进功率、燃料消耗和排放等。
在研究船舶的能耗性能时，可以考虑不同的推进器类型、推进器布局和动力系统等因素，以及船舶的运行工况和航行路径等因素，以寻求最佳的船舶运行模式。
综上所述，基于CFD的船舶阻力性能综合研究可以通过数值模拟和分析方法，深入探索船舶阻力的形成机理、降低阻力的方法以及相关性能指标的优化。
这不仅可以提升船舶的性能和能耗效率，还可以为船舶设计和运营提供科学的依据和指导。
基于SHIPFLOW软件的某集装箱船的阻力计算分析
基于SHIPFLOW软件的某集装箱船的阻力计算分析作者：田中文何珍伍蓉晖王金明来源：《广东造船》2018年第01期摘要：利用SHIPFLOW软件来计算船舶阻力是目前比较常见的方法。
本文对某集装箱船在满足总体设计的基础上，基于船东营运需求，采取多工况、多航速优化技术，同时在优化中重点关注浅吃水和中、低航速工况，设定营运工况优化权重进行优化。
最后，利用三因次换算法对优化后的船型进行阻力预报，并与船模实验进行了对比，结果表明，预报误差在-4%～3%之间，满足工程使用要求，验证了该方法的可行性。
关键词：SHIPFLOW；优化权重；阻力预报；计算精度中图分类号：U663.31 文献标识码：AAbstract： It is a common method to compute the ship resistance reduction by SHIPFLOW. On the basis of overall design of a feeder container vessel，considering the ship’s operat ional profile，multi objects optimization technology is adopted， focusing on shallow draught and medium and low speed conditions to optimize the resistance. Three-dimensional Extrapolation method is used to predict the ship resistance. The error is -4%～3% by comparing the results of CFD calculation and model test， which is accepted in engineering scope， and the feasibility of the prediction method based on SHIPFLOW is also validated.Key words： SHIPFLOW； Optimized weight； Resistance prediction； Calculation accuracy1 前言目前，商用船舶CFD软件较多，主要有RAPID、SHIPFLOW、V-SHALLO等，这些软件都有一个共同特点，即在船型设计前期优化中都能快速的进行多方案阻力预估，这对于船型的开发阶段是必不可少的。
基于CFD方法的某化学品船型优化及船舶阻力性能数值预报
基于CFD方法的某化学品船型优化及船舶阻力性能数值预报殷晓俊;任海奎【摘要】对快速性技术指标较好的某化学品船进行线型优化研究.利用GMS前处理软件对船体线型进行若干变化,利用势流兴波软件RAPID进行快速计算,得到船体周围兴波及船体表面压力分布情况,从而选择较优方案.利用商业软件STAR-CCM 对原型和改型的阻力性能进行黏性流体数值计算,定量分析改型后船舶阻力的减小量,为模型试验提供参考依据.模型试验结果表明,改型船的阻力较原型进一步降低,与计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)计算结果吻合良好,新匹配的螺旋桨推进性能较原型明显提高.【期刊名称】《上海船舶运输科学研究所学报》【年(卷),期】2016(039)004【总页数】6页(P8-13)【关键词】船型优化;计算流体力学;模型试验【作者】殷晓俊;任海奎【作者单位】上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室,上海200135;上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室,上海200135【正文语种】中文【中图分类】U661.31船体线型优化是船舶阻力理论应用和其他研究工作中最重要的环节之一，在船舶主尺度、排水量和设计航速给定的条件下设计出阻力更低和推进效率更高的船型，是造船工作者的主要研究目标。
随着国际船级社协会(International Association of Classification Societies,IACS)出台新造船标准，绿色船舶以其节能、环保的特性而受到业界关注，对现代船型优化及新船型开发越发重视。
早期主要通过系列模型试验获取较优船型，通过比较若干个方案选出阻力性能最好的船型，这种方法不仅会耗费大量的劳力和时间，而且有一定的局限性。
近年来，随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)理论不断进步和计算机技术的发展，基于CFD理论的船型优化设计已成为热点。
基于CFD的实船阻力快速预估方法
ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｆ １ ＋ ａ ｎ ｄ ｗａ ｖ ｅ ｍａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｃ ｏ ｅ ｆ ｉ ｆ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ，ｔ ｈ ｅ ｎ ｈｅ ｔ ｆ ｕ １ １ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｓ ｈ ｉ ｐ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ
进 行水 池试 验 显然不 可行 ，这 就 需要一 种 既快速 方便 、又 相对 准确 可 靠 的预报 方法 。
船舶 阻力预估 方法
船 舶 阻力 的预估 方法 有 多种 ，最 为精 确 的是 水池模 型 试验方 法 ，除此 之外 有大 量 的根据 船模 系列 试验 结 果 或者是 在 总结 、分 析 大量船 模试 验 和实船 试航 数据 基 础上 得 出的近似 估 算方 法 。模 型试 验是 在满 足模 型 、实船 弗劳德 数相 等 、几何 相似 并 结合 实船试 航 结果 相关 分析 基础 上进 行 的一种 精确 的 阻力预 报手 段 ； 其 他近 似 的阻 力估算 方法 诸 如系 列 图谱 法 、经 验 公式 法等 ，其预 估 的精度 一方 面取 决于 设计 船 与母 型船 或
０ 引 言
船舶 设 计过程 中，无论 是初 步设 计阶 段 的多方 案选 型 ，还 是 最终方 案 确定后 的航速 性能 评估 ，阻力 性 能都 是评 判 的主 要依 据 ；不 同方案 快速 性 能 的 比较 、主 机 的选 型 、航速 的预 估 、能效 指标 （ 诸如 Ｅ Ｅ ＤＩ 、
关 键 词 ：船 舶 阻 力 ； 数 值 预 报 ； 结 果验 证
中图分类号 ：Ｕ６ ６ １ ． ３ ｌ １
文献标ห้องสมุดไป่ตู้志码 ：Ａ
基于CFD与三因次法结合的低速多用途船的阻力预报
基于CFD与三因次法结合的低速多用途船的阻力预报近年来，随着船舶工业的快速发展，越来越多的低速多用途船被开发和制造出来。
这些船舶通常用于农业、水产养殖、矿产开采和港口运输等领域。
由于其良好的适应性和多功能性,在许多领域都获得了很好的应用前景。
因此，预测低速多用途船在不同工作条件下的阻力特性是非常重要的。
为了预报低速多用途船的阻力，可以采用计算流体力学(CFD)和三因次(SST)方法相结合。
CFD是一种通过使用数值方法来求解流体动力学计算问题的技术工具。
而三因次(SST)方法是用于境界层计算的一个经典的物理模型,能够高度准确地预测壁面附近区域的流动特性。
因此,结合CFD和SST方法可以更准确地预测低速多用途船的阻力。
首先，通过建立低速多用途船的三维数值计算模型，利用CFD方法进行流场数值模拟，得出船舶周围水流的速度分布情况。
其次，通过使用SST方法求解境界层流动问题，得到船体表面的摩擦阻力和湍流阻力。
最后，将这些阻力分量合并起来得到总阻力，进而对船舶的总阻力进行精确预测。
此外，为了验证CFD和SST方法的准确性，可以进行与实验相结合的方法进行验证。
例如，使用阻力试验台或自由船模试验台进行试验，将实验数据与数值计算数据进行对比分析，以验证预测的阻力是否实际可靠。
综上所述，CFD与SST方法相结合可以精确地预测低速多用途船的阻力。
这些预测数据可以在船舶设计阶段和运营管理中使用，以优化低速多用途船的性能，提高其工作效率和节能减排。
为了预测低速多用途船的阻力，需要获取并分析相关数据。
以下是可能涉及到的数据和分析：1. 船舶外形数据：船舶的长度、宽度、吃水深度、排水面积和体积等数据。
2. 运行条件数据：船舶的航速、航向、深度、航线和负载等数据。
3. 流场数据：船舶周围水流的速度分布情况，可以通过CFD方法模拟得到。
4. 境界层流动数据：在SST方法中，可以通过三因次模型计算出船体表面的摩擦阻力和湍流阻力。
5. 阻力试验数据：通过阻力试验台或自由船模试验台，可以获得船舶在不同运行条件下的阻力数据，并与数值计算数据进行对比分析。
基于CFD的船舶船体总阻力预报方法
基于CFD的船舶船体总阻力预报方法张艳;阙晓辉【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2015(037)003【摘要】为了对船体航行阻力大小进行预测,使得设计人员在设计阶段便能够对船身结构进行优化改进,以获得性能优良的船身结构.基于UG建立船身与水流相互作用的几何模型,并借助hypermesh环境对几何模型进行离散化,得到高质量的流体动力学计算网格.将船头前部网格作为入口边界条件,后部以及侧面网格作为出口边界条件,船身对称面网格作为对称边界条件,建立有效的有限元计算模型.采用Fluent 求解器对有限元模型进行求解,设定最大迭代步数为100步.通过对求解过程中动力粘度、速度、压力等重要的动力学参数残差收敛情况进行监控,表明整个计算过程收敛,得到的计算结果与实际情况相符合.通过CFD计算,得到了船身周围水压分布情况,根据船身前后方向水压差以及船身截面积,计算得到了船舶航行阻力.【总页数】4页(P139-142)【作者】张艳;阙晓辉【作者单位】天津海运职业学院,天津300350;天津集装箱码头有限公司,天津300456【正文语种】中文【中图分类】U661.31+1【相关文献】1.基于CFD方法的某化学品船型优化及船舶阻力性能数值预报 [J], 殷晓俊;任海奎2.基于CFD方法的冷藏运输船阻力预报 [J], 叶大楠;周琦3.基于CFD的船舶阻力预报方法研究 [J], 郑小龙;黄胜;尚秀敏4.高速船航态模拟与阻力预报CFD方法应用 [J], 韩翔希;赵成璧;唐友宏;林慰;曹艺龄5.基于CFD的36英尺水翼双体船阻力与运动预报 [J], 李豪杰;PUTRA Arfis Maydino Firmansyah;孙科;冷建兴;赵汉星;陈嘉鸿因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
【doc】实船和船模阻力系数的相关分析
实船和船模阻力系数的相关分析实船和船模阻力系数的相关分析应用物理系许定生王淑珍..一,摩擦阻力系数的相关分析船模与实船相比较,船模的尺寸较小,又需满足傅似德定律,所以其速度也较低,结果实船租船模的雷诺数不同,其摩擦阻力系数也随之而异.尺度作用造成了摩擦阻力系数的差别.傅似德假定船的摩擦力与同速度同长度同湿面积的平板摩擦阻力相等.实际上由于船体的表面弯曲,其流动情况与平板有相当差异.船体的纵向弯曲,使其边界层厚度较相当的平板为薄,在曲度较大的舭部尤为显着.所以阻力也相应增大.更重要的是由于弯曲表面后部发生边界层分离而产生旋涡.旋涡区域水流的速度较低,所以其处的摩擦力随之较小.船体弯曲表面产生的形状效应使其摩擦阻力与相当平板之间发生差异.当水流为层流时,粗糙度对阻力实际上无影响.当雷诺数达到一定数值时变为紊浇,粗糙度对阻力有l影响.船模是光滑表面,而实船是粗糙表面.对于实船来说,粗糙度补贴系数AC1只随粗糙度粒子高度6与船长L之比而变化,即只随0/L而变化,当O近似不变时,粗糙度补贴系数ACf只随船长L而变化,即AC±=f(L).目前我国和其它许多国家暂时习惯采用:ACf=O.0004.实际上这里的ACf不仅仅是船体表面粗糙度的影响,还包括了尺度作用的影响.对长100米左右的船,采.~ACf:O.0004还能与实船试航的结果相符台.而对于较长的船与实船试航的结果就大不相符了.于是1973年,荷兰水池发表了不同的AC±值见表1.囊l兰△cxlOlo.37;22OO.125280l3400.000I一0.125l00—0.250回归出来就是;ACf=({—)×10"(1)Ls一实船水线船长.照此公式推理;;一..一10一..虽然实际上Ls不可能趋向无穷大,只不过是说明当船长较大时,随着船长的增加,ACr下降速率太快.船舶牯压阻力包括摩擦阻力的形状效应和因边界层分离而产生的旋涡作用,这二者都目水的枯性而产生,所以应为雷诺数的函数.按照傅似德的假定,粘压阻力与兴波阻力合并计算,适用比较定律.但粘压阻力为雷诺数的函数,而兴波阻力乃傅似德的函薮,所以将两者一『-.性喷不同的阻力采甩台蓝处理的办法,在理论上不竹当.再者,采用傅似德法进行阻力换算时,对较的船,粗糙度补贴系数ACI则为负直,显然这是不台理的.许夫提b船的摩擦阻_』J和粘压阻力台并为牯性阻力平板摩擦阻力系数公式:Cr=为基率摩擦阻力系数公式.根据船模试验结果认为,粘压阻力系数与基_奉摩擦阻力系数CI的比为一常数K. x=鲁㈩C——粘压阻力系数;K～形状系数.K可由进行低速船摸试验来决定,其数值视船肜商舜.CT=CI(1+K)+Cw(3)Ct一?总阻力系数,Cw～兴波阻力系数;(1+K)一～形状因数.在傅似德法中,应用平扳公式以计算船的摩擦阻力,所"叫二因次换算方法.在公式3中则引进形状因数以照顾三因次流动,所以叫三因次换算方法.三因次换算方法也常叫(1+K)法.船模阻力换算到实船阻力时,如果采t口三周次(1+K)法计算时,在春夏季节3～8月份,水池里水温低于室温,水池里的船模表面产生大量气泡,船模讯速阻力受气泡的影响,低速时的船模阻力是不准确的.所以(1+K)法就不会有高度的精确性.同时三固次计算实船总阻力系数cTs时,由于cTs=(1+K)?cfs+AF,+△q中的n次方难以确定,给计算带来一定困难.能不能采用比较准确的二因次计算法超过三因次的精确效果呢?下面就来谈谈如何提高二因次计算的正确性二,相关系数的探讨当实船尺度等于船模尺度时,实船总阻力系数cs就不受尺度作用的影响.因此尺度影响与(^一1)有关.寰2SM2{一SM24—47SM24一{oSM24—33Sz|一265447403326()\T13.1782.9692.9182.8812.8832.855lt.5383.1053.0583.0042.985l2.94915.7713.3193.2773.2273—16l3.171表2是同一条实船"大庆"轮,按五种不同缩尺比用二因次方法计算出来的实船总阻力系数(不包括粗糙度补贴系数△q).从表2中我们可以看到,实船总阻力系数cTs道着缩尺比的增大而增大,根据表2数据,可以近似认为成线性关系,通过回归法即得:CT$=cTso+K(^一1).因此我们只要减击一个K(^一1),就可以消除船模尺度作用的影响.我们假设实船尺度增大(缩小)一倍.船一S5_一长也增大(缩小)一倍.船模尺寸不变,那末缩尺比^也要增大(缩小)一倍?K值就耍减小(增大)一倍.而K?Ls值不变.令KJ=K.Ls×10,那末10rso=Crs一{}(^一1)×10.Cso就可消除船模尺度作用的影响因而Kt(^一1)×10a就是船模尺度影响系数.瞩AC}J=(^一1)×10一.(4)Ac¨—一船模尺度影响系数.照三因次法,船模消除尺度作用影响后需加上一个粗糙度补贴系数ACt.AC7_0.64)×10_|I6=500v,m.lim.+AC.l=Ls(7击一0.o4)×-0=+.c所以说当船长Ls较小时,AC过于偏大.而实际上△cr值是一个较小的数值.三因次AC睑式显示,当船较小时,随着船长的减小,△CI正值增长太快.当船长较大时,随着船长的增加,Acr值下降趋势极其缓慢,几乎接近水平线.二因次;AC|=(音一)×10这里的AcI实际上包含粗糙度引起的摩擦阻力增加及推进方面的其它因素.二因次△cI公式显示,当船长较大时△cj负值增长太快.而且不管船长增大到多大,ACt值始终与船长成比例地快速直线下降.为了互相弥补两公式的不足之处.使得△cr值随着船长曲增加,其下降趋势不快不慢.我们把这两个公式根据半经验半理论的办法得到;Acn:一+堋s而此公式中随着船长的增加,△cn必然要出现负值,而实际上实船表面粗糙,从理论上{}}粗糙度补贴系数厶cr必须是一个大于零的正值.因而公式(5)中的(一百)'10一.)是尺度作用影响系数的一部分,而不是粗糙度补贴系数的一部份.因而粗糙度补贴系数;AcI='2.8十K2)×l.一.(6)Ac广-一粗糙度补贴系数.既然'一xlo)是尺度作用影响系数的一部分.由于^={,那束一百蒹,10''一;菜10'..一拍丽实船尺和船横相等时就无.度作用的影响.因而它必然是(^一1)的函数.圜此从理论上分析需要特(一面毒?^?l0)演变成(一KsL.(一1)×)才正确.即?一Lm^×10一I-KsL.(—1)×1令:AC^J:KI?L皿(^一1)X10一.(7)由于△cII与缩尺出有关,所以是缩尺比系数.=+.=【鲁(¨)^_1)】×l0AC=(+K.?L)?(—1)×10一(8)AC——缩尺影响系数.我们把粗糙度补贴系数和缩尺影响系数放在一起,通称为相关系数.AC=ACf—AC^=【ll(Ls/2,米8K:一(鲁+Ka?.【^1)】x10(9)△c——相关系数.根据五条不同缩尺比的船模试验数据,荷兰船模试验池推荐的数据,实船试航的数据和甩三因次(1+K)法计算五种不同缩尺比船模试验换算成实船总阻力系数的数据.求得tKI;o.7眯,K,一0?Ii;3百蒜a将Kl,KI,K$数值代入公式(9)得-AC=【l一0.Ii-+H,】Ⅷ一.(10,其中一ACr…2,8一0.1l】×l0一.(11)AC+).(¨)×10(12)根据公式(n)计算的粗糙度补贴系数Act始终为正值.见表3.裹310JAc±×'{0.60实船裸船体总阻力系数『l1下式决定Czs=Cfs+C-+ACcts——实船总阻力系数.cI3一一实船摩撩阻力系数.C,s=cI--一船模剩余阻力系数.(13)(14)一37—比较不同缩尺比的船模计算的实船总阻力系数C怖粤从表4中数据可以看出;二因次法中采用相关系数公式计算的总阻力系数的数值重台器度很好.消除了尺度作用的影响.毫4SM24—5tSM24一t7SM24—4aSM24--40SM24—2'54440332'V(节)二目农不包括△C的Cs×1●.值13.1782.9692.9182.8912.8832.日5514.5383.1053.0583.OO'2.9a52.94915.7713.31.3.2773.2273.2163.171=目农包括△C的CTS×10'值:!:一O.0260.005O.0370.0690.100v()\13.1782.32.9232.9182.9522.95514.5383.0793.0633.0413.0543.04915.l3.2933.2823.2643.2853.271再与实船实测的数据比较t表5中"△cl宴"表示实测的△c±值,"△c卅表示公式计算的△cI值I表6中Ac 宴.表示实测的△c值I"AC~I-裹示用相关系数公式计算的AC值.从表5和表6中数据可以看出,采用二因次法相关系数公式计算的误差大部分数据小于三因次(1+k)法计算的误差.六条船的平均绝对误差:一1I6I暑——一(I6tI+I6II+……+I6.I)三因次法计算的平均绝对误差t6K=0.263×10_..二因次法中采用相关系数公式计算的平均绝对误差;l6cl=0.148×10I6eI<f6KI说明二因次法采用掐关系数公式计算的精确度商于三因次法.六条船的方差比较:=÷,....)三因次(1+k)法计算的方差:6K=0.0750×10二因次法采用相关系数公式计算的方差.6c=0.023410一8c.<6K说明二因次法采用相关系数公式精确度高于三因次(1+t)法.一38—裹5蕾船蛙吕j次(1十K)岳RVsl6El×10.=母名比(节)AC实×1011ACRE-lO'I△C妻一△Cf甘lxlO'13.35o.oo6o.391风】4.65o.42oo.023lo.34715.95o.647o.25o光l.25o.09o.312L15.75o.0I5o.389岳16.25o.o2oo.384 16.75o.048O.356阳o.355…j一——…一一o.308o.059O.129l3.50一o.18}o.590 庆l.7o0.O2o.3764o15.90175C.22{阳17.000.3560.C17 13.50O.000.324弹I4.700.117.0.28640————0.40315.9O0.270O.133mJ】7.00O.4[60O.057—39—囊B编船缩采用相差系数二日敬法尺VsI6c1×lOI=AC实×10'△C计x10.号名比(节)j△C实一△C计1x10.13.36—0.2860.189风14.61—0.0300.03350————0.O0316.110.1400.1S7光17.230.2840.28115.990.160O.155岳16.{40.1700.0050.165阳l7.250.0600.055捧州50.615.51一O.195—0.0140.181——朝】6.260.19(10.1855O16.50O.32D0.0050.315用————17.400.O1O0.O0513.510.2900.235f^15.590.0300.0250.05516.260.0400.O15用17.070.07O0.O15】3.670.2200.165 潭15.910.1500.0956{00.05516.830.2300.175阳17.5OO?24010 .185囊7Lm()厶\zIC～——～(米)\×1o. 600.29690.36400.{O31O.4322.——12OO.070.1"40.1845O.21161B0—0.06O10.00600.046】O.0312tO一0.1710—1.050—0.0649—0.O3783OO一0.2685—0.2(124—0.162一O.1353360一O.3581—0.2920一O.2520—0.22{9——40表7是不同船长不同缩尺比根据公式(1O)引算的△c值.表7中:L——船模水线船长.Lr一实船水线船民.三,通过相关系数来精确计算实船的总阻力系数稆关系数Ac是由粗糙度补贴系数Ac和缩尺影响系数△c构成.粗糙度补贴系数只影响实船的摩擦阻力系数即:实船粗糙表面摩擦阻力系数=c"+ACs缩尺影响系数只影响实船的剩余阻力系数.由j尺度作用的影响,船模水流运动场与实船水流运动场不完全相似.旋涡阻力不与船排水体积成正比,而与船湿表面积成正比.要计算实船的剩余阻力系数C必须消除尺度作嘲的影响.即:C,:=C一△C^1.装有粘龙骨的单桨实船总阻力系数的确定:由于雌龙骨是流线形安装的,所以肚龙骨的安装只增加实船的摩擦阻力.装有肚龙骨的摩擦阻力系数:—里(ch+ACf)ds～实船裸船体湿面积.s日K～舭龙骨面积.剩余阻力系数cC=C一△C总阻力系数CCTs一?一(cEs+ACf)C一AC.(15)02.双桨船包括美人架,轴和舵的总阻力系数的确定:以前用二因次法计算双浆船的总阻力系数时把美人架,轴和舵所增加的阻力作为增加的剩余阻力来考虑,这显然是不台理的.图1是9000马力双桨双舵破冰船经过试验分析和计算所得到的兴波阻力系数Cw 曲线.从圈中可以看出:两条曲线基本m台.对于双桨船来说,在通常实硐航速范围内,舵的消披作用基本上抵消了美人架,轴和舵所产生的兴液阻力,所融可认为双桨船装上美人架,轴千¨舵所增加的阻力可以近似地山与摩擦阻力成比倒关系的粘性阻力来代替. 即:双桨船船模包括美人架,轴和l舵的摩擦阻力系数与双桨船船模裸船体摩擦阻力系数之比等于双桨实船包括美人架,轴和舵的摩擦阻力系数与双桨实船裸船体摩擦阻力系数之比.双桨实船包括美人架,轴和舵的摩擦m系数=(ch+AC)Ec—一双桨船船模包括美人架轴和舵的总阻力系数.C,～双桨船船模谍船体剩余阻力系数.cr.—～双桨船船模裸船体摩擦阻力系数.双桨实船剩余阻力系数C——1——目i9000马力积泉藏舵破球船兴渡阻力系教曲线圈C=Cr-o一△C^双桨实船包括美人架,轴和舵的总阻力系数ctscTs:¨c(ch+ACf)+c一AC1(16)V{∞注:上面的ACf瓤△c分别根据公式(u)和公式(12)来计算.参考文献(1]"实船与船模阻力换算中的相关系数许定生广西造船通讯1983年第九期[2)"几何相似船模的试验研究"周健,姜次平盛振邦,张云彩,杨阿康,钱章义上海交通大学1981年第二期[3]"单桨船实船和船模的相关分析"盛振邦,盛正为,钱章义C4)船舶阻力》上海交通大学姜次平编(5]"双螺旋桨船的美人架盟力的足度效应"姜次平,陈良权《上海交通大学学报1982年第三期一42—。
5600TEU集装箱船标准预先研究及超大型集装箱船标准体系研究
5600TEU集装箱船标准预先研究及超大型集装箱船标准体系
研究
赵华;王俊;王磊;胡关德;章炜梁
【期刊名称】《国防技术基础》
【年(卷),期】2006(000)002
【摘要】大型集装箱船属高技术，高附加值船舶，是目前世界造船技术发展重点之一。
集装箱运输发展历程不长，但由于它具有散货船无法比拟的优越性，因而运输量增长十分迅速。
使集装箱船的开发设计和建造也在不断更新。
我国从“七五”期间便开始对大型集驶箱船舶的设计建造技术进行跟踪研究．经过10多年的不懈努力，于2002年先后成功地建造了5668／5618TEU集装箱船。
该船型的成功建造，使我国大型集装箱船的开发、设计和建造实现了零的突破，填补了国内空门。
【总页数】4页(P10-13)
【作者】赵华;王俊;王磊;胡关德;章炜梁
【作者单位】中国船舶工业综合技术经济研究院高工;不详
【正文语种】中文
【中图分类】U6
【相关文献】
1.基于CFD实尺2339标准箱集装箱船的阻力分析和实船验证 [J], 邵汉东;杨富茗;田晓庆;赖祥华
2.18000标准箱超大型集装箱船 [J], 中国船舶及海洋工程设计研究院民船部
3.2万标准箱超大型集装箱船\"中远海运人马座\"命名交付 [J], 刘昭青
4.18000标准箱的超大型集装箱船即将诞生 [J],
5.江苏内河集装箱船标准船型设计分析 [J], 于全虎; 张平
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基于 SHIPFLOW 的某大型集装箱船阻力预报与试验验证
基于 SHIPFLOW 的某大型集装箱船阻力预报与试验验证卢雨;胡安康;尹逊滨;田明琦【期刊名称】《中国造船》【年(卷),期】2016(057)002【摘要】以势流兴波阻力理论中的 Rankine 源方法为计算基础，利用SHIPFLOW 软件模拟了某大型集装箱船的周围流场，考虑流体粘性及自由表面影响，预报了集装箱船的船模阻力。
选择三种船体网格(FM,MM,CM)进行船体表面网格划分，采用势流理论与粘流理论的分区分步计算方式（ZONAL 法），将数值计算的船舶总阻力值与船模试验值进行对比。
计算结果表明网格划分形式 MM 的计算结果最为准确，同时也验证了 SHIPFLOW软件求解技术的可靠性并提高了计算效率。
最后选择 MM 网格划分形式，基于改造母型船法，对原球艏形式进行了改型，计算结果表明：改型球艏船型较原始船型具有更好的阻力性能，达到了船型优化的目的。
【总页数】9页(P22-30)【作者】卢雨;胡安康;尹逊滨;田明琦【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001; 中集船舶海洋工程设计研究院，上海 201206;中集船舶海洋工程设计研究院，上海 201206;中集船舶海洋工程设计研究院，上海201206【正文语种】中文【中图分类】U661.1【相关文献】1.基于SHIPFLOW内河船阻力预报研究 [J], 杨敬东;刘永臻;雷林2.潜艇搭载蛙人输送艇阻力预报及试验验证 [J], 胡端;黄昆仑;杨杰;李林3.基于SHIPFLOW软件的某集装箱船的阻力计算分析 [J], 田中文;何珍;伍蓉晖;王金明4.基于SHIPFLOW的散货船阻力预报分析 [J], 杜敏;何珍;田中文;伍蓉晖5.基于SHIPFLOW软件的方尾舰船阻力快速预报 [J], 陈伟;许辉;邱辽原;姜治芳;王晓喆因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于CFD的三维船体摩擦阻力预报与验证
基于CFD的三维船体摩擦阻力预报与验证
杨培青;管义锋
【期刊名称】《船舶工程》
【年(卷),期】2007(29)3
【摘要】利用流体软件FLUENT,对某三维船体的粘性绕流进行数值模拟,得到在不同航速下,在不考虑自由液面情况时船体摩擦阻力系数,通过把计算结果和经验公式相比较,验证了FLUENT用于预报三维船体摩擦阻力的有效性.
【总页数】4页(P61-64)
【关键词】船舶动力学;三维船体;粘性流场;摩擦阻力;FLUENT
【作者】杨培青;管义锋
【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U661.3
【相关文献】
1.船体固有频率预报及实验验证 [J], 江世媛;王绍鸿;杨燕
2.基于RANS法和边界层理论预报三维船体阻力 [J], 胡俊明;李铁骊;林焰;徐雪锋;徐利刚
3.肥大型船模操纵性水动力CFD预报的试验验证分析 [J], 杨超峰;吴宝山;沈泓萃
4.基于CFD软件的三维船体粘性流的数值模拟 [J], 黄丽
5.基于CFD的船舶船体总阻力预报方法 [J], 张艳;阙晓辉
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DOI:10.19423/ki.31-1561/u.2018.03.018基于CFD实尺2 339标准箱集装箱船的阻力分析和实船验证邵汉东1杨富茗2田晓庆3赖祥华1（1.扬帆集团股份有限公司 舟山316100 ；2.哈尔滨工业大学 机电工程学院 哈尔滨150001；3.杭州电子科技大学 海洋工程研究所 杭州310018）［摘 要］基于计算流体力学（CFD）方法对2 339标准箱支线型集装箱船进行实尺数值模拟阻力预报。
首先建立NUMECA/HEXPRESS全六面体非结构网格，采用湍流K-Omega（SST）-Menter模型进行数值模拟,计算其在压载工况下不同傅汝德数时的阻力；然后将CFD数值计算阻力结果同实船试航阻力进行比较与分析。
结果表明：CFD数值模拟同实船以及实验结果趋势一致,误差较小。
论文所述CFD分析方法对船舶的线型设计、优化和航速预报，具有一定的指导与参考意义。
［关键词］集装箱船；计算流体力学；阻力预报；航速验证［中图分类号］ U661.3 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-9855（2018）03-0018-06Resistance Analysis and Full-scale Verifi cation of2 339 TEU Container Vessel Based on CFDSHAO Han-dong1YANG Fu-ming2TIAN Xiao-qing3LAI Xiang-hua1(1.Yangfan Group Co.,Ltd., Zhoushan 316100, China;2. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;3. Institute of Ocean Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China) Abstract: The resistance of a 2 339 TEU feeder container vessel is predicted by using the computational fluid dynamics (CFD) method. Firstly, the NUMECA/HEXPRESS full hexahedral unstructured grid is established. Then, the resistance with the different Froude number under the ballast operation condition is numerically simulated by using the K-Omega (SST)-Menter turbulence model. Finally, the resistances calculated by CFD method are compared with the results from the full-scale trial. It shows that the numerical simulation results are consistent with the full-scale trail results with little error. The analysis by CFD method can provide guidance and reference for the ship hull design, optimization and speed prediction.Keywords: container vessel; computation fluid dynamics(CFD); resistance prediction; speed verification基金项目：浙江省科技计划项目（2018C04002）。
收稿日期：2018-01-29；修回日期：2018-02-28作者简介：邵汉东（1974-），男，本科，高级工程师。
研究方向：船舶设计及船型开发。
杨富茗（1987-），男，博士。
研究方向：波浪能水动力学研究。
田晓庆（1986-），女，博士，讲师。
研究方向：海洋工程及计算流体力学。
赖祥华（1975-），男，本科，高级工程师。
研究方向：船舶设计及船型开发。
图2 全尺度三维实体模型计算域的尺寸设置如下：流向方向取5L，侧向方向取1.5L，法向方向取2L（L为船舶总长）由于船舶左右对称、流动对称，为节约计算资源，计算时取整个流域的一半。
2.2 流体域网格划分网格划分在CFD计算中具有举足轻重的地位，将直接影响模拟结果的准确精度和效率。
过密的网格浪费计算机计算资源，计算难以收敛；而过疏的网格会使计算精度急骤下降。
因此，掌握网格的数量和精度对计算结果的精确度影响很大。
本船的网格划分采用NUMECA/HEXPRESS全六面体非结构网格，具体按照由体到面的网格生成技术以及八叉树网格拆分方法，将物面附近网格细化并投影至物面，从而形成贴体网格［5］。
本船网格总数约167万。
为更好地捕捉流动特征，在自由液面及首尾线型复杂处进行网格和边界层的加密，第一层网格厚度根据Y+确定（Y+为300）［6］，网格厚度为2.83 mm。
经网格质量检查，凹体网格为0、扭曲网格为0、负网格为0、网格最小正交角28.9°、最大正交角90°、最大斜度0.792。
为检验所设置网格对计算结果的影响，依次将计算网格数设置为85万和296万，计算得出当船速为17 kn时，船舶的阻力依次为396 kN和650 kN。
经与实船的测量结果对比，最终决定选用总数为167万的网格。
图3为计算域的网格划分图。
图3 计算域网格划分2.3 边界及初始条件数值模拟计算求解采用多相流稳态计算模型，边界条件设置为：船体表面引入标准壁面函数，侧向边界设置为对称边界，入口边界给定为速度入口，出口边界给定为压力边界。
湍流模型为K-Omega（SST）-Menter模型，计算中所选取的最大时间步数为2 000，时间步值Δt= 0.01L ref / V ref。
式中：L ref为参考船长189 m；V ref 为所对应的参考速度，m/s。
时间步法则主要包括时间步均匀法则、线性法则、正弦法则等，本文采用时间步均匀法则进行计算。
文中通过CFD计算模拟吃水：实船压载状态吃水为首吃水4.53 m，尾吃水7.31 m。
为严格符合实际， CFD计算时，首尾吃水与实船压载状态吃水保持一致。
3 CFD计算结果分析3.1 典型航速自由液面处波形显示通过建立实尺数值模拟计算域，对航行中的目标船绕流流场进行数值模拟，经CFView生成流场计算信息。
CFD模拟压载工况下的自由液面处波形图见下页图4。
由图4观察到，船舶行进时，水流流经有曲率的船体表面时，因船体表面压强各处分布不均，在重力和惯性力作用下，船体周围便产生船行波，船首和船尾会形成各自的船行波，在航速为19 kn和20 kn的云图中尤为明显。
此外，船行波在首柱稍后处始于波峰，在尾柱之后始于波峰，并且船行波的高度正比于船速。
随着航速的增加，船行波明显变高且波峰后移。
船首和船尾两个驻点附近为线型突变区，压强和兴波最大［7］。
从图6可见，船首和船尾两个驻点附近为线型变化突变区，此区域的海水压力及压力变化均较大。
3.4 典型航速水质点切应力及流向矢量图7为航速20 kn 时，CFD 模拟的压载工况，水质点所受切应力及流向矢量图。
图5 典型航速舷侧波形图图4 典型航速自由液面处波形图（c）典型航速20 kn（a）典型航速17 kn （b）典型航速19 kn （a）典型航速17 kn （b）典型航速19 kn波高/m （平均吃水5.9 m ）波高/m （平均吃水5.9 m ）98.587.576.565.55-400-200200400船舶行驶位移/m（0为船舶尾垂线位置）船舶行驶位移/m（0为船舶尾垂线位置）98.587.576.565.55-400-200200400图6 航速为20 kn时船体压力分布当球首前端面迎浪时，水质点在前进方向被球首堵住，被堵区域水质点的剪切力最大，即摩擦阻力最大，瞬时流速趋于0，动能转化为位能，水面升高。
由于水质点运动惯性作用，因此最高水位存在滞后现象。
尾部由于船舶线型变化显著，造成边界层分图7 航速为20 kn时水质点切应力及流向矢量图3.2 典型航速舷侧波形显示图5为CFD 模拟在压载工况下的舷侧波形图。
由该图可见，产生首尾波峰的位置长度比垂线间长略长。
4.2 实船航速验证本船实船试航在压载状态（船首吃水4.53 m，船尾吃水7.31 m）东经123°31′，北纬29°16′的东海海面进行，邀请DNV-GL 船级社和武汉理工大学的两家测速机构进行测速，测试项目主要包含不同工况下对地航速测试、主机功率、主机转速、相对风速、相对风向、涌波高、周期等。
其中对航速、离，水质点不再按给定的方向流动，轴出口处还出现逆向流动趋势，并且此区域水质点所受剪应力减小，相应的流速减小，因此会在此区域形成涡流区并导致阻力增加。
4 航速验证4.1 船模试验（a）V =14.00 kn / Fn =0.167（b）V =17.00 kn / Fn =0.203表2 压载吃水工况下的实船试航阻力值V s /kn Fn P d /kW E tad P e /kW 16.50.1976 2880.8265194170.2036 8960.8255 68917.50.2097 4880.8236 163180.2158 2080.8206 73118.50.2218 8800.8167 246190.2279 5360.8137 75319.50.23310 3520.8098 375图8 典型航速下的船模试验图验后的航速修正，需要修正至无风无浪的理想状态，并与CFD 计算模拟结果进行比较。
船级社的航速修正基于ITTC 法，在荷兰水池开发的STAIMO 系统中完成。
测速公司修正后的功率与航速曲线，作为实船螺旋桨效率、航速和功率换算依据，并参考以下相应航速的船模试验结果换算公式：P e = P d /E tad（1）为有效功率，kW ；P d 为螺旋桨收到功率，为螺旋桨效率，kW。
R t =（1 944×P e ）/V s（2）为船体阻力，N ；V 为船舶航速，kn。
图10 实船/CFD计算阻力相对误差图结果表明：（1）CFD 模拟阻力与实际试航阻力的相对误率为-1.69% ~ -0.015%。