船舶CFD的发展和应用

船舶CFD的发展和应用

1引言

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。

自1821年开始，纳维(Navier)等人考虑将分子问的作用力加入到欧拉方程中。1845年，斯托克斯(Stokes)将这个分子间的作用力用粘性系数μ表示，并正式完成了Navier-Stokes方程，最终建立了粘性流体力学的基本方程，奠定了近代粘性流体力学的基础。但是，由于方程式的非线性，解此方程，在数学上会碰到很大的困难瞳3。随着人们对流动的深入了解、计算方法的发展及计算机水平的提高，求解粘性流动问题经历了由简到繁，由易到难的过程。

计算流体动力学兴起于20世纪70年代。当时Fromm和Harlow发表了一篇名为“流体力学中的计算机实验”的文章，法国人Macagno则发表了一篇名为“流体力学模拟的某些新的方面”的文章。随后几年里陆续出现了多种专门研究计算流体动力学及计算方法的杂志。从此计算流体动力学进入了快速发展阶段。在船舶性能研究领域，船舶CFD(Ship CFD，或者Naval Hydrodynamics)与计算流体动力学几乎同时起步，它以计算机为工具，通过数值求解船舶绕流场的控制方程，模拟船体运动，得到流场中的速度场和压力场，实现对船体水动力性能的研究。第一篇关于船体粘性绕流数值计算的文章是Spalding教授的博士研究生Abdelmeguid的毕业论文—A method of predicting three—dimensional turbulent flows around ship’s hull。Abdelmeguid的方法来自传热问题的计算技术，在船舶性能研究领域也获得了普遍共识。在数值计算领域里，Spalding、Launder、Patanker 和Abdelmeguid等研究人员的工作为船舶CFD奠定了基础，成为船舶CFD研究工作的先驱者。

2 国内外CFD发展现状

近年来，随着计算机技术和计算技术的突飞猛进，计算流体力学（CFD）也得到了长足的发展。基于CFD 软件船舶水动力学方面的数值模拟，因为具有费用低、无触点流场测量、无比尺效应、能消除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响、可获得较为详细的流场信息等优点而广受关注，应用范围越来越广。随着Spalding发展了基于RANS的数值计算方法，船舶CFD方法在船舶设计中开始实际使用。当时国际上这方面的研究队伍主要有：瑞典哥德堡科技大学的Larsson、美国衣阿华大学的Patel和日本东京大学的Miyata等教授及其领导的科研小组。到20世纪八十年代末、九十年代初，美国、德国、法国、意大利、日本、荷兰等国家纷纷成立了一些研究小组，开始形成群雄并起的局面，掀起了船舶粘性流及水动力计算研究的热潮。由于在船舶流体动力学中，不可压

缩流占主导地位，而对于不可压缩流动，压力没有显式方程，精确求解压力存在很大的难度；船舶在水面航行还引起自由表面问题。这两大问题对船舶水动力学提出了更高的数值技术方面的要求。总之，由于船舶性能研究领域流动问题的独特性、CFD理论及技术发展水平的限制、投资强度等方面的因素，使得这一阶段船舶CFD的发展和应用的广泛性落后于航空、航天CFD。

现阶段CFD理论及技术的交流极其频繁且体现了较高水平。船舶CFD方面，国际上有关船舶CFD研究的研讨会，如船舶CFD研讨会系列Gothenburg 2000，Tokyo 2005等)、SNH(Symposium On Naval Hydrodynamic)系列和FAST(International Conference OH Fast Sea Transportation)系列等，基本上代表了当前船舶CFD 技术发展和应用的最高水平。

国内开展船舶计算流体动力学研究工作的单位主要有无锡中国船舶科学研究中心、哈尔滨工程大学、上海中国船舶与海洋工程设计研究院、大连理工大学和上海交通大学等高校院所。其中中国船舶科学研究中心(702所)关于船舶计算流体动力学的研究工作基本上处于领先地位，某些成果达到国际领先的水平。在船舶研究领域，船舶CFD正成为提高船舶工程产品的设计质量、缩短研究周期、减少人力物力的投入、有效预估性能和船型优化设计等的强有力工具。对这一技术的充分利用和深入研究必将有助于船舶研究事业的发展和壮大。

3与试验相比CFD数值模拟技术的优势

与试验验证相比，CFD数值模拟技术具有如下特点:信息量大，成本低，易并行化、能快速响应。这使得CFD数值模拟技术在下述方面具有优势:

(1) 依靠CFD数值模拟，可以在一定的流动空间范围内给出流场的定量计算结果，便于分析各种流动参数(如Fn数、Re数和流体的物性等)以及几何构造对流动规律的影响，对舰船总体水动力性能实现广参数(较多的参数种类、较宽的参数范围)考察。

(2) 可快捷地实现多方案选优。

(3) 一体化模拟多部件的组件内外流统一流场，针对如船体螺旋桨(含泵喷、喷推、导管桨等)、舵、附体等对象物，总体上把握整个组件的整体特性，局部上把握各部件自身的整体特性和之间的相互干扰和影响作用，避免了分立地进行部件试验模拟的片面性。

(4) 采用全尺度几何模型，在真实物理、几何尺度上计算求解，避免了在水池试验模拟时模型缩尺比带来的长期困扰人们的尺度效应问题。

(5) CFD技术在细观机理考察上，有明显优势。为提高设计方案的性能，船舶科研人员积极探索新技术措施。科研人员利用CFD工具，实现细观观察，取得对新技术措施何以提高性能的机理性理解，方能减少盲目性，能动地改进工作。

(6)与试验结果数据库技术相比，CFD数值模拟技术能适用于开发新船型和特殊船型，在新概念船型、开发上有明显优势。本文的研究是基于CFD技术对多方案的新型高耐波性单体复合船型的静水阻力进行粘性计算，通过对计算结果的后处理、流场分析，探寻高耐波性单体复合船型的快速性优化方法，最终是为提供几个较选的方案用于模型试验，基于CFD技术的计算不能完全取代模型试验，但它可以为模型试验提供指导和辅助，使模型试验在船型优化、方案优选的过程中效率更高。

4 CFD 技术在船舶设计中的应用