船体绕流场数值模拟
绕水翼超空化流场的数值模拟
（ ｃ ｏｌ ｆ ｎｒｙａ ｄＰ ｗ ｒ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｊ ｎｓ ｎｖｒｔ，Ｚ ｅｊ ￣，Ｊ ｎ ｓ １０ ３， ｈｎ ） Ｓ ｈｏ ｏ ｅｇ ｎ ｏ ｅ ｇｎｅｉ ， ｉ ｇｕＵ ｉ ｓｙ ｈｎｉ ｇ ｉ ｇｕ２ ２ １ Ｃ ｉａ Ｅ Ｅ ｎ ａ ｅｉ ｍ ａ
中图分 类号 ： Ｖ１ １ ３ Ｔ ３ ．２
文献 标志 码 ： Ａ
文 章编 号 ： ６ １ ７ ７ （０ ２ ０ ０ ３ ０ １ ７ — ７ ５ ２ １ ） １— ０ ９— ５
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｕ ｒ ａ ｉａ ｉ ｇ ｆｏ ａ ｏ ｄ ｈ ｄ ｏ ｏ ｌ ｍ ｒ ｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｆ ｓ ｐｅ ｃ Ｖ ｔ ｔｎ ｗ ｒ ｕｎ ｙ ｒ ｆ ｉ ｌ
绕 水翼 超 空 化 流 场 的数 值 模 拟
杨敏 官 ，尹必行 ， 康 灿
（ 苏 大 学 能 源 与 动力 工程 学 院 ， 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 江 １０ ３
摘 要 ：基 于 Ｒ ｙ ｏ ｓ 均 法 ， 用 Ｒ Ｇ ｋ— 模 型及 Ｍｉ ｕｅ两相 流模 型 ， ｅｎ ｌ 平 ｄ 采 Ｎ ｘｒ ｔ 对绕水 翼 ｙ９ ０的超 空化 ｓ３ 流 动进行 了数值模 拟 ， 到 了绕 水翼各 个超 空化 阶段 的超 空化 形 态及 各 阶 段 的 临界 空化数 与水 翼 得
ｔ ｎｈｐ ｅ ａｓ ｆ ｅｅｔ ｎ ｔ ａｃｕ ｔｒ ｏｋ ｉ ｏｔ ｋ ｓｃｖ ｙｇ ｆｔｅｓｃ ｏ ｉｅｏ ｅ ｉ ｓｉ．Ｂ ｃｕｅｏ ｒ—ｎｒ ｔ ｅ， ｏ ｎｅｃ ｃ ｗｓ ｖｒ ｘｍａｅ ａｉ ｏｏ ｕｔ ｎｓ ｆｈ ｏ ａ ｊ ｌ ｅ ｅ ｔ ｈ ｉ ｄ ｔ
用 ， 水翼 前缘 处形 成 一个逆 时针 旋 涡 ， 逐 渐长 大 的 空泡脱 离水 翼吸 力面 并 向 下游 脱 落 ； 不 同 在 使 在
基于CFD的船舶总阻力数值模拟
基于CFD的船舶总阻力数值模拟陈骞;查晶晶;刘刚【摘要】为了实现利用CFD准确预报船舶阻力,选取2种船舶线型,对静水下不同航速时的阻力进行模拟,考虑船舶的对称性,使用半船进行建模,为减少网格数量并尽量保证精度,采用局部加密进行网格处理,采用VOF法对自由液面进行模拟,与船模试验数据对比表明,本方法具有较高的数值精度.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2019(048)002【总页数】4页(P170-173)【关键词】CFD;总阻力;粘流;数值模拟【作者】陈骞;查晶晶;刘刚【作者单位】上海外高桥造船有限公司,上海200137;上海外高桥造船有限公司,上海200137;上海外高桥造船有限公司,上海200137【正文语种】中文【中图分类】U661.3在船舶设计过程中，为了获得各线型差异对船舶阻力的影响，往往需要大量的船模试验。
但船模试验周期长、成本高，而且，通常只能选取其中的典型线型进行船模试验。
为此，考虑采用CFD数值计算方法，利用计算机技术，在船舶设计及线型优化中进行各种模拟预估，从众多方案中进行选取，减少船模试验次数，节省开发时间和开发成本。
选取两不同船舶线型，选取多速度点进行数值计算[1-3]。
通过与水池船模试验结果的比较，分析CFD模拟阻力值与水池试验报告的数值精度，得到精度高的模拟方法。
1 船舶流体理论基础在船舶的流场中，粘性起到主要作用，计算必须考虑到流体黏性。
黏性流体运动满足质量守恒定律、动量守恒定律、动量矩守恒定律及能量守恒定律。
当考虑流体为不可压缩时，密度ρ为常数，基本方程只剩下连续方程和动量方程，将本构方程代入得到雷诺方程。
1.1 雷诺Navier-stokes方程对于不可压缩的流体，N-S方程为[4]▽ρ+▽2ν(1)N-S方程为一非线性的二阶偏微分方程，等式左边为惯性力，右边依次为质量力、压力合力和黏性力。
其中黏性力又分为剪应力与附加法向应力。
1.2 雷诺平均N-S方程虽然N-S方程能描述湍流的瞬时运动，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。
船舶航行中的流体力学特性及其建模仿真
船舶航行中的流体力学特性及其建模仿真船舶的流体力学特性是研究船舶航行性能和操纵特性的重要方面。
通过对船舶在水中的运动过程进行建模仿真，可以帮助我们更好地理解船舶航行中的流体力学特性，并提供指导船舶设计和运营的依据。
本文将探讨船舶航行中的流体力学特性以及相关的建模仿真方法。
一、船舶航行中的流体力学特性1. 水动力学基本原理船舶航行过程中的水动力学基本原理包括牛顿第二定律、阻力与推进力平衡、浮力原理等。
牛顿第二定律描述了物体受力导致的加速度变化，对于船舶来说，牛顿第二定律可以用来描述船舶在水中的运动过程。
2. 水的阻力与推进力船舶在航行中会遇到水的阻力，这是由于船体与水之间的摩擦以及水流的阻力导致的。
推进力是指使船舶前进的力，可以通过螺旋桨或者推进器产生。
船舶设计中需要考虑最小化阻力并最大化推进力，以提高船舶的航行效率。
3. 浮力与稳定性浮力是指船舶在水中受到的向上的浮力，根据阿基米德原理可知，浮力等于船体排开的水的重量，船舶的浮力要大于或等于船体的重力，才能保证船舶能够浮在水面上。
船舶的稳定性也是航行中需要考虑的重要因素，船舶设计时需要保证船体的稳定性以确保船舶在海上航行时不易倾覆。
二、船舶流体力学建模仿真方法1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种通过数值计算来模拟船舶流体力学特性的方法。
常用的数值模拟方法有CFD（Computational Fluid Dynamics）方法。
CFD方法基于物理原理和数学模型，在计算机中进行流体的数值模拟，可以模拟船舶在水中的运动过程。
通过CFD方法，可以计算船舶的阻力、流场、波浪、流动分布等信息，为船舶设计提供重要参考。
2. 片面力模型片面力模型是一种简化的船舶流体力学建模方法，通过建立船舶船体与水的相互作用力模型，来分析船舶在水中的运动特性。
常用的片面力模型有TVP（TVP）方法、CDG（Compliance Derivative Guidance）方法等。
这些模型可以通过简化船舶在水中的运动过程，得到船舶的力学特性，为船舶设计和控制提供指导。
船舶在波浪中航行的流场数值模拟分析
船舶在波浪中航行的流场数值模拟分析作者：汪异周文平来源：《发明与创新·大科技》 2018年第1期摘要：采用基于VOF和高精度自由面捕捉技术的三维非稳态CFD（计算流体动力学）方法，对船舶在迎浪状态下多自由度耦合航行时的粘性流场进行数值模拟。
结果表明：船舶迎浪航行时，自由面波形呈现对称分布，阻力系数及动力响应呈现正弦周期性变化的特点。
结果可为船舶在波浪中摇荡运动及耐波性研究提供指导。
关键词：船舶；迎浪航行；斜浪航行；数值模拟；流场分析船舶在波浪中航行时，粘性绕流场状态决定了船体的水动力性能[1]。
然而，波浪中运动的船舶会产生周期性的摇荡运动，使得船舶水下形状发生变化，从而引起船体周围的粘性绕流场的变化，对船舶的耐波性和快速性等产生不利影响。
目前对船舶粘性绕流场的研究主要有实验方法和CFD方法 [2]。
通过直接求解雷诺时均三维粘性N-S方程的CFD数值模拟方法能得到绕流场细节，进而分析船舶在水环境中的耐波性及快速性等性能，具有明显的优势[3]。
本文采用商用软件ANSYS Fluent对船舶在迎浪状态下纵摇、垂荡和横摇三自由度耦合航行时的流场进行数值模拟，分析迎浪航行对船舶的阻力、横摇及自由表面波形等性能的影响规律。
1.计算模型及网格本文计算对象为Wigley船型，船体基本尺寸为：长L=2 m，宽B=0.2 m，吃水T=0.125 m。
对于船舶绕流建模，计算域的选取要确保不影响计算流场。
本模型中，整个计算域为长方体，进口距船首2L，设置为速度入口边界；出口距船尾4L，设置为压力出口边界；四面为对称边界（法向速度和其他物理量的法向梯度均为0）：左右表面距船体中心2L，上表面距中心0.2L，下表面距中心（即水深）1.5L。
采用ICEM-CFD软件对流场区域进行非结构化网格划分，网格总数约为250万。
为确保对边界层内的流动特性的良好捕捉，对船身近壁面生成棱柱体边界层网格，且保证第一层网格被布置于Y+小于10的范围内、边界层网格法向膨胀率不超过1.2。
高速船舶流场数值模拟技术研究
高速船舶流场数值模拟技术研究现代海洋运输业的快速发展，导致需求越来越大的高速船舶，这些高速船舶对于流场性能要求极高。
然而，传统的船舶设计方法已经无法满足这种需求。
高精度、高效的数值模拟方法已成为不可或缺的设计手段。
在高速船舶流场数值模拟技术研究领域，数值模拟方法、模拟技术以及参数调整技术越发成为研究的关键。
一、数值模拟方法在高速船舶流场数值模拟研究中，最常用的方法是计算流体力学（CFD）方法。
CFD方法中最常使用的模型是雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）。
RANS方程可用于预测涡流结构和船体表面压力分布，从而对高速船舶的设计和优化提供定量数据支持。
在最新的高速船舶流场数值模拟研究中，研究人员还在使用大涡模拟（LES）模型。
LES能够提供更为精确的涡流信息，但相对而言模拟时间消耗较大。
二、模拟技术高速船舶的流场动态性强，常需要进行动态数值模拟。
因此，数值模拟中的时间步长和空间离散化的精度都对计算结果产生显著影响。
因此，诸如空间网格细度、时间控制、长度尺度等方面的模拟技术手段非常重要。
同时，在高速船舶的数值模拟中还需要处理复杂的问题，比如涡流结构、面团、可见玻璃球尺寸、海浪等各种因素。
研究人员常采用三维数值模拟技术处理这些变量，以得到更为精确的模拟结果。
三、参数调整技术使用数值模拟方法进行高速船舶的设计，关键在于运用合适与可靠的参数数值。
为此，研究人员需要发掘更多的关键因素并选择合适的数值。
调整的关键因素包括风向、浪浪、电缆绳索，水深、负荷尺寸，以及船体尺寸等诸多因素。
参数调整技术的另一重点是借助统计学方法。
这类方法可以预测任意一个参数可以带给设计的影响。
基于这些预留，调整的关键因素可以通过模拟预测的结果得到进一步的验证与修正。
总体而言，高速船舶流场数值模拟技术的发展随着科学计算手段的进步得到了极大地促进。
研究人员借助于先进技术手段，在模拟研究中可以更加深刻地把握船舶性能参数。
未来，技术手段会更加成熟，高速船舶流场数值模拟研究将更为丰富。
船舶流体力学研究的最新进展与应用
船舶流体力学研究的最新进展与应用船舶在海洋中的航行涉及到复杂的流体力学现象，对于船舶流体力学的研究一直是船舶工程领域的重要课题。
近年来，随着计算技术的飞速发展以及实验手段的不断创新，船舶流体力学研究取得了一系列显著的进展，并在船舶设计、性能优化和海洋工程等方面得到了广泛的应用。
一、船舶流体力学研究的最新进展1、数值模拟技术的突破数值模拟已经成为船舶流体力学研究的重要手段之一。
随着计算机性能的不断提升，计算流体力学（CFD）方法在精度和效率上都有了极大的提高。
高精度的湍流模型和多相流模型的发展，使得对船舶周围复杂流场的模拟更加准确。
例如，大涡模拟（LES）和分离涡模拟（DES）能够捕捉到更精细的湍流结构，为船舶阻力和推进性能的预测提供了更可靠的依据。
2、实验技术的创新在实验方面，粒子图像测速技术（PIV）、激光多普勒测速技术（LDV）等先进的测量手段被广泛应用于船舶流体力学研究。
PIV 技术可以实现对整个流场的瞬时速度测量，获取丰富的流场信息。
此外，水槽和水池试验设施的不断改进，如增加造波和消波装置，使得实验条件更加接近真实海洋环境，提高了实验结果的可靠性。
3、多学科交叉融合船舶流体力学与其他学科的交叉融合日益深入。
例如，与材料科学结合，研究新型减阻材料在船舶表面的应用；与控制工程结合，实现对船舶运动的智能控制以优化流体动力性能；与生物力学结合，从鱼类游动的高效机制中获取灵感，为船舶的节能设计提供新思路。
4、不确定性分析与优化在船舶设计过程中，考虑不确定性因素的影响变得越来越重要。
通过概率分析和可靠性设计方法，可以评估设计参数的不确定性对船舶流体力学性能的影响，从而提高设计的可靠性和稳健性。
同时，基于优化算法的船舶流体力学性能优化也取得了重要进展，能够在多目标、多约束条件下找到最优的船舶外形和结构参数。
二、船舶流体力学研究的应用1、船舶设计与性能优化船舶流体力学的研究成果直接应用于船舶的设计和性能优化。
船舶流场的数值模拟与水动力性能优化
船舶流场的数值模拟与水动力性能优化船舶的水动力性能是影响其行驶速度、稳定性和燃油消耗的重要因素。
为了研究船舶水动力性能的优化方法，数值模拟成为一种可靠和高效的手段。
本文将介绍船舶流场的数值模拟方法，并探讨如何通过优化船体形状和推进系统设计来提高船舶的水动力性能。
1. 数值模拟方法船舶流场的数值模拟主要包括两个方面：流体运动方程的求解和边界条件的设定。
流体运动方程可以通过Navier-Stokes方程来描述，其中包括连续性方程和动量方程。
为了简化计算难度，通常会采用雷诺平均Navier-Stokes (RANS) 方程，其中引入了湍流模型来描述湍流效应。
在数值求解过程中，需要建立离散的网格，并对每个网格单元的物理参数进行求解。
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法。
通过这些数值方法，可以得到船舶在运动过程中的速度、压力和湍流强度等参数，进而分析其水动力性能。
2. 形状优化船体形状是决定船舶水动力性能的重要因素之一。
通过数值模拟可以对船体形状进行优化，以减小阻力、提高速度和降低燃油消耗。
形状优化的方法主要包括基于响应曲面模型的优化和基于直接搜索的优化。
基于响应曲面模型的优化方法可以通过建立数学模型来描述船体形状与水动力性能之间的关系。
利用数值模拟的结果作为训练样本，可以建立出响应曲面模型，并通过优化算法来寻找最优解。
常用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等。
基于直接搜索的优化方法则通过构建一组候选解来寻找最优解。
在每一次迭代过程中，根据当前的候选解进行数值模拟，并评估其水动力性能。
通过不断调整候选解的参数，最终找到最优的船体形状。
3. 推进系统优化除了船体形状的优化，推进系统也是影响船舶水动力性能的重要因素之一。
推进系统的优化主要包括螺旋桨设计和动力配置的优化。
通过数值模拟可以对不同螺旋桨参数进行评估，并选择最优的设计方案。
同时，通过动力配置的优化可以合理配置机舱和发动机的位置，使得推力的传递更加高效。
船舶阻力及粘性流场的数值模拟
方法论
方法论
本研究采用实验测量和数值模拟相结合的方法，首先通过实验测量获取喷射 器流场的实际数据，然后利用数值模拟方法对实验数据进行验证和预测。具体步 骤如下：
方法论
1、实验设计：根据喷射器的实际应用场景，设计实验方案，包括测量位置、 测量仪器、实验操作流程等。
结论与展望
2、加强实际水域环境中船舶操纵性能的研究，开展更多的船模实验和真机实 验，积累更多的实测数据；
结论与展望
3、研究不同类型和尺度的船舶在各种复杂水域环境下的操纵性能，拓展研究 成果的应用范围；
结论与展望
4、结合先进的机器学习和人工智能技术，对船舶操纵性能进行智能评估和预 测，提高航行安全和效率。
引言
究，对提高船舶的操纵性能和航行安全具有重要意义。
背景
背景
船舶操纵运动与流场结构的关系一直是船舶工程领域的研究热点。早期的研 究主要集中在理想流体模型下船舶操纵运动的数学模拟，然而，由于实际船舶操 纵过程中所涉及的流体是复杂的粘性流体，因此，理想流体模型并不能完全反映 船舶操纵的实际
背景
情况。随着计算技术和实验技术的发展，对船舶操纵运动粘性流场和水动力 数值的研究逐渐成为可能。
结论与展望
展望未来，我们建议研究者们可以在以下几个方面进行深入探讨：1）开发更 高效、精确的网格生成技术和湍流模型，以提高模拟精度；2）研究不同船型、 不同水动力性能的船舶阻力及粘性流场，以拓展应用范围；3）结合先进的数据 分析和计算方法，
结论与展望
进行大规模数据处理和复杂模型训练，以提升模拟效率；4）探讨船舶阻力及 粘性流场的优化设计和控制方法，以提高船舶性能和节能减排效果。
螺旋桨流场数值模拟与优化设计
螺旋桨流场数值模拟与优化设计螺旋桨是一种重要的船舶推进装置，它的设计和优化对于船舶的性能和效率具有关键作用。
而螺旋桨的性能与其流场密切相关。
为了更好地理解和优化螺旋桨的流场特性，数值模拟成为了一种重要的研究手段。
数值模拟是通过计算机模拟物理或工程现象的数学模型，以获取结果并推导出相应的结论。
在螺旋桨的数值模拟中，常用的方法是计算流体力学（CFD）方法。
CFD方法通过将流体划分成离散的计算单元，并运用守恒方程、流体运动方程和边界条件等基本原理，求解流体的速度、压力和其他相关参数。
首先，通过数值模拟可以获得螺旋桨的流场分布情况。
在数值模拟中，可以设定不同的边界条件和螺旋桨的几何参数，然后求解流场中的速度和压力分布。
通过分析螺旋桨周围的流场，可以了解到绕螺旋桨旋转的流体是如何受到螺旋桨叶片影响的。
这对于螺旋桨的设计和优化有着重要的参考价值。
其次，数值模拟还可以研究螺旋桨的性能参数，如推力、效率等。
在数值模拟中，可以计算螺旋桨叶片的力学特性，进而推导出螺旋桨的推力和效率。
通过改变螺旋桨的几何参数和边界条件，可以优化螺旋桨的设计，以达到更好的推进效果和节能效果。
此外，数值模拟还可以用于研究螺旋桨的噪声和振动特性。
对于大型船舶而言，螺旋桨的噪声和振动是非常重要的问题。
通过数值模拟可以预测和分析螺旋桨产生的噪声和振动，并寻找相应的改进方案。
这不仅可以提高船舶的运行安全性，还能减少对水生生物的干扰。
在数值模拟中，还可以考虑其他因素对螺旋桨性能的影响，如流体的黏性、湍流等。
这些因素都会对螺旋桨的流场分布和性能参数产生影响，因此在模拟中需要进行相应的考虑和分析。
此外，数值模拟还可以结合实验数据和现场观测结果，进行验证和修正，以提高模拟的准确性和可靠性。
总结而言，螺旋桨的流场数值模拟与优化设计在船舶工程领域中具有重要意义。
通过数值模拟，我们可以深入研究螺旋桨的流场特性，优化螺旋桨的设计和性能参数，并研究螺旋桨的噪声和振动特性。
带自由面肥大船粘性绕流场的数值模拟
ＲＧ Ｎ
两 方 程模 式 ， 自由 面 的处 理 采 用 Ｖ Ｆ方法 。数值 计 算 结 果 与 已公 开 试 验 数 据 的 定 量 比较 相 当吻 合 。计 Ｏ
算结 果 的 分 析 表 明 ： 中发 展 的 Ｃ Ｄ计 算 方 法 可 以 满 足 于带 自 由面肥 大 型船 舶 快 速 性 工 程 预 报 的要 求 。 文 Ｆ
Ｖ０ ．２ １１ Ｎｏ １ ． Ｆｅ ２ ０８ ｂ． ０
带 自 由面肥 大 船 粘性 绕 流 场 的数 值 模 拟
黄 少 锋 ，张志 荣 ，赵 峰 ，李 百齐
（ 国船 舶 科 学 研 究 中心 ， 苏 无 锡 ２ ４ ８ ） 中 江 １０ ２ 摘要 ： 采用 直 接 求解 Ｒ Ｎ Ａ Ｓ方 程 的 方 法 对带 自由面 的 肥 大 型 船 舶 的 流场 和 阻力 进行 了数 值计 算 ， 流 模 型 选用 湍
ｐ ｅ ｉ ｔ ｎ ｏ ｈｅ ｐ ｗｅ ｉ ｅ ｆ ｒ ｎｃ ． ｒ ｄ ｃｉ ｆｔ ｏ ｒｎｇ ｐ ｒｏ ｍａ ｅ ｏ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ ｒ ｅ ｕ ａ ｅ ｕ ｌｓ ｉ ；ｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔｏ ；ｈ ｄ ｏ ｙ ａ ｃ ｅ ｏ ｍａ ｃ ｄ ：ｆｅ －ｓ ｒ ｃ ；ｆ ｌ ｈ ｐ ｕ ｒｃ ｌｓｍｕ ａｉ ｎ ｙ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｓｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｆ ｆ
ｎ ｍｅ ｉ ａ ｔ ｏ ｒｖ ｓ ｏ ｓ ｆ ｗ ｆｆ ｌ ｓ ｉ ｔ ｒ ｅ ｓ ｒａ ｅ ｃ ｎ ｓ ｔ ｆ ｈ ｒ ｃ ｓｏ ｅ ｕ ｓ ｆｔ ｅ ｕ ｒ ｌｍｅｈ ｄ ｆ ｉｃ ｕ ｏ ｏ ｕ ｌ ｈ ｐ ｗｉ ｆｅ － ｕ ｃ ａ ａ ｉ ｙ ｔ ｅ ｐ ｅ ｉｉ ｎ ｒ ｑ ｅ ｔｏ ｈ ｃ ｏ ｌ ｈ ｆ ｓ
ｍｅ ｏ ． ｅｎ ｌｓａｅａ ｅＮ ｖｅ－ ｔ ｅ ｑ ａ ｏ ｏｊｎ ｔ ｎｗ ｔ ａＲ Ｇ 尼 ｔｒｕｅｃ ｏ ｅ ｗ ｒ ｔ ｄ Ｒ ｙｏｄ ｖ ｒｇ ａｉｒ Ｓ ｋ ｓｅ ｕｔ ｎｉ ｃｎｕ ｃｉ ｉ Ｎ ｈ ｏ ｉ ｎ ｏ ｈ 一 ｕｂ ｌ ｅｍ ｄｌ ｅｅ ｎ ｓｌ ｄ Ｖ ｌｍｅｏ ｌｉ ｅｈ ｄ（ Ｏ ） ｓ ｅｉ ｄｆｒｔｅｔ ａ ｎ ｆ ｒｅｓｒ ｃ ． ｈ ｏ ｐ ｔ ｅｕｔ ｏ ｅ ， ｏｕ ｆ ｕｄ Ｍ ｔｏ Ｖ Ｆ ｉ ｄ ｖｓ ｅｔ ｔ ｅ ｕ ａｅ Ｔ ｅｃ ｍ ｕｅ ｒｓｌ ｖ Ｆ ｅ ｏ ｈ ｒ ｍｅ ｏ ｆ ｆ ｄ ｓ
船舶动力学研究中的数值模拟技术探讨
船舶动力学研究中的数值模拟技术探讨一、介绍船舶动力学研究是应用力学和流体力学原理，在船舶设计、操纵和性能优化等方面进行科学研究的领域。
数值模拟技术作为船舶动力学研究中的重要工具，在模拟和预测船舶在运动中的行为和性能方面发挥着重要作用。
本文将就船舶动力学研究中的数值模拟技术进行探讨。
二、船舶运动数值模拟的方法1. RANS模拟方法雷诺平均 Navier–Stokes方程组 (RANS)是目前船舶运动数值模拟中常用的方法之一。
它基于雷诺平均假设，将速度和压力分解为平均部分和涨落部分，并求解湍流通量的统计平均值。
虽然RANS的模拟精度一般较低，但它具有计算效率高的优点，适合于较大尺度的船舶运动数值模拟。
2. LES模拟方法大涡模拟 (Large Eddy Simulation, LES) 是一种适用于湍流流动的数值模拟方法，它通过直接模拟大尺度涡旋，对小尺度涡旋进行传输模型来实现。
相比于RANS方法，LES模拟具有更高的模拟精度，可以较好地模拟船舶运动的湍流特性。
然而，由于计算资源的限制，LES模拟仍然在船舶运动数值模拟中具有一定的局限性。
三、船舶流场数值模拟的方法1. 基于势流理论的数值模拟方法基于势流理论的数值模拟方法主要利用势流方程来模拟船舶在无粘流动中的流场。
通过求解势流方程，可以得到船舶周围的速度场、压力场等重要信息，从而分析船舶的流动特性。
基于势流理论的数值模拟方法适用于对船舶运动中的宏观流动特性进行研究。
2. 基于CFD的数值模拟方法计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 是一种基于控制方程和数值方法，对流体流动进行数值模拟的方法。
在船舶动力学研究中，基于CFD的数值模拟方法可以较为准确地模拟船舶周围的粘性流场，分析船体表面的压力分布、阻力等因素，为船舶的设计和性能优化提供科学依据。
四、船舶动力学研究中的数值模拟应用1. 船舶性能预测数值模拟技术可以对船舶在不同工况下的性能进行预测，如船舶的阻力、推进性能、操纵性等。
船舶浪流场数值模拟研究
船舶浪流场数值模拟研究船舶是人类赖以生存和发展的重要交通工具，其流体动力学特性是造船工业和航海技术研究的重点之一。
其中对于船舶在海面上的波浪和流场问题，一直以来都是困扰人类的难题。
如何减小船舶在海上的阻力、提高船速，以及船舶在海上的稳定性等问题，都需要对其波浪和流场进行深入研究和分析。
数值模拟作为求解流体动力学问题的有效手段之一，近年来得到了广泛的应用。
数值模拟可以精细地描绘船舶在海上的波浪和流场特性，从而为改善船舶水动力性能提供理论基础和技术支持。
1. 浪场数值模拟在海面上，波浪是一种典型的自然现象，其形成和演化涉及到许多因素，如海洋波浪的主要风向、波浪的传播速度、波长、波高等。
为了更好地研究波浪的特性和对船舶的影响，科学家们利用计算机模拟方法，对浪场进行数值模拟。
数值模拟基于计算机辅助的数值方法，通过列出波浪的基本动力学方程，对波浪进行模拟。
包括海水自由面的基本方程、接触线条件和边界条件等。
利用计算机运算，就可以得到海面上各个点的波浪高度、波长、波速等基本参数，甚至预测未来的浪况。
在对浪场进行数值模拟时，需要考虑各种可能的外界因素对模拟结果的影响，如海水温度、海洋风速和气压等。
同时还要考虑不同波浪深度下的波浪传播速度、衍射和折射效应等。
对于船舶来说，必须深入分析和了解波浪的特性，以便在海上航行时正确处理不同的波浪情况，提高船舶的安全性和航行效率。
2. 流场数值模拟除了波浪，船舶在海上还会受到各种流体动力学因素的影响，如水流的速度、方向和湍流等。
为了研究船舶在不同流场条件下的水动力性能，需要进行流场数值模拟。
流场数值模拟的基本原理是求解流体的守恒方程和运动方程，以计算流体的速度、压力和密度等基本参数。
为此，需要建立适当的数学模型和计算模拟算法。
此外，还需考虑各种外界影响因素，如流体物理性质、流体动力学因素和流场中物体的形状和大小等等。
对于船舶的水动力性能研究，流场数值模拟可以精确地计算出船舶在不同速度和流体动力因素下的阻力、浮力和推力等参数。
船舶航行性能的数值模拟与分析
船舶航行性能的数值模拟与分析船舶作为重要的水上交通工具，其航行性能的优劣直接关系到航行的安全、效率和经济性。
随着计算机技术的飞速发展，数值模拟已成为研究船舶航行性能的重要手段。
通过数值模拟，可以在船舶设计阶段就对其航行性能进行预测和优化，从而减少试验次数、缩短研发周期、降低成本。
数值模拟的基本原理是基于流体力学和船舶动力学的相关理论，将船舶和周围的水流视为一个连续的流体场，通过求解一系列的控制方程来获得船舶周围流场的压力、速度等参数，进而计算船舶的航行性能。
在船舶航行性能的研究中，常用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法和边界元法等。
船舶航行性能主要包括阻力性能、推进性能、操纵性能和耐波性能等方面。
阻力性能是船舶航行性能中的一个关键指标，它直接影响船舶的动力需求和燃油消耗。
通过数值模拟，可以对船舶在不同速度、吃水和姿态下的阻力进行计算，并分析船体形状、附体布置等因素对阻力的影响。
例如，优化船体的首部形状可以减少兴波阻力，而合理设计船底的粗糙度可以降低摩擦阻力。
推进性能是衡量船舶动力系统效率的重要指标。
数值模拟可以用于研究螺旋桨的水动力性能，包括推力、扭矩和效率等。
通过模拟螺旋桨在不同转速和进流条件下的工作情况，可以优化螺旋桨的叶片形状和布置，以提高推进效率。
同时，还可以考虑螺旋桨与船体之间的相互干扰，从而更准确地评估推进系统的性能。
操纵性能是船舶在航行中改变航向和速度的能力。
数值模拟可以模拟船舶在不同舵角和螺旋桨转速下的运动响应，计算船舶的回转半径、转向时间等操纵性指标。
对于多桨多舵的船舶，还可以研究不同桨舵组合对操纵性能的影响。
此外，还可以通过模拟船舶在风浪中的操纵情况，评估船舶在恶劣海况下的操纵安全性。
耐波性能是船舶在波浪中航行时的性能表现，包括船舶的运动响应、砰击和上浪等。
数值模拟可以模拟船舶在规则波和不规则波中的运动，分析船舶的纵摇、横摇和垂荡等运动特性。
通过优化船舶的型线和结构，可以减少船舶在波浪中的运动幅度，提高船舶的舒适性和安全性。
养殖工船养舱流场数值仿真与特性分析
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第5期
王银涛等:养殖工船养舱流场数值仿真与特性分析
25
有效地捕捉自由表面涡[28] ,目前研究表明大涡模 拟 ( LES ) [29] 和 SST ( Shear Stress Transport ) 模 型[30-31] 可 用 于 自 由 表 面 涡 的 模 拟。 开 源 软 件
随着社会的发展,以猪、牛为代表的“红肉” 消 费逐渐将被以鸡、鱼为代表的“ 白肉” 代替,联合国 粮农组织(FAO)的统计数据显示[1] :中国的水产品 产量逐年递增,在 2020 年已经达到了 8 392. 9 万 t。 但是由于近岸和陆基养殖的空间限制以及环境污 染,渔业养殖正在历经从内陆、沿海走向深远海养 殖的转变过程[2] 。 专业化的大型养殖工船集养殖、 加工、储存、物流于一体,可有效利用深远海适宜海 域进行长期游弋式养殖,并能躲避台风、赤潮等自 然灾害,被称为“ 移动的海洋牧场” ,工船养殖是发 展深远海养殖的一个重要的方向[3-4] 。
压强,kg / ( m·s2) 。
型养殖工船养舱中的漩涡流进行研究,分析流场
湍流 模 型 采 用 kOmegaSSTDES 模 型, 对 于
速度特性以及适渔性,并通过改变入水口的边界 条件来改变进水流量和角度,分析流量和角度对
Hale Waihona Puke kOmegaSSTDES 模型,湍动能 k 和比湍流耗散率 ω 的输运方程分别表示为[33-35] :
工船中的布置。 其中养舱舱长 22. 4 m、宽 19. 6 m、 高 19 m,养舱的底面距船体基线 2 m,工作液位相 对于船体基线高 17 m,对应舱内水位为 15 m。 养 舱带有进出水循环系统,进出水口分布如图 4 所 示。 本文选取其中一个养舱进行研究,定义此养 舱出水口的坐标为(0,0,2),x 向为船头方向,y
船舶设计中的流场模拟与优化
船舶设计中的流场模拟与优化在船舶设计中，流场模拟与优化是一项关键的技术。
通过对水流的模拟分析和优化设计，可以提高船舶的性能，减少燃料消耗，同时也能减少对海洋环境的污染。
流场模拟技术流场模拟技术是指通过计算机模拟水流的流动过程，对船舶的水动力性能进行分析和优化设计的一种技术。
主要包括数值模拟和试验模拟两种方式。
数值模拟是指通过数学模型、计算机程序和算法等手段，对水流的流动进行数值计算和模拟。
这种方法具有计算速度快、成本低、控制参数多等优点，因此得到广泛应用。
试验模拟是指通过实验室试验和船模试验等手段，对船舶的水动力性能进行模拟和测试。
这种方法具有实验结果直观、准确性高、可靠性好等优点，但是成本较高，同时受试验环境、实验设备等因素的限制。
流场模拟技术的应用流场模拟技术在船舶设计中的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1. 静水力计算：对船体形状参数进行计算和优化在船舶设计中，静水力计算是指对船体的主要形状参数如吃水、船长、型深、型宽等进行计算和优化。
这是船舶设计中的第一步，在后续的水动力计算中扮演着重要的角色。
2. 水动力计算：对船舶的水动力性能进行分析和优化在船舶设计中，水动力计算是指对船舶在水中运动过程中的水动力性能进行分析和优化。
主要包括阻力、推力、舵效、操纵性能、自然周期等方面。
3. 压力分布计算：对船体表面的压力分布进行计算和分析在船舶设计中，压力分布计算是指对船体表面的压力分布进行计算和分析。
这是对船体设计的最后一步，着重考虑船体表面的水阻力和摩擦阻力等问题。
4. 海洋环境模拟：对海洋环境进行模拟和分析在船舶设计中，海洋环境模拟是指对船舶在真实海洋环境中的运动过程进行模拟和分析。
这样可以评估船舶在不同的海洋环境下的性能，为航行提供数据支持。
流场模拟技术的挑战虽然流场模拟技术在船舶设计中的应用非常广泛，但是也面临着一些挑战。
主要包括以下几个方面：1. 精度不足：由于液体流动具有非线性、非稳态等复杂特征，数值模拟的精度往往无法完全满足实际要求。
带自由面船体周围粘性流场数值模拟
摘 要 ： 利用 Ｆ Ｕ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ流体软件 ， 通过求解三维粘性不可压 Ｒ Ｓ方程 和使用标 准 ｋｓ湍流模 型对带 自由液面船 ＡＮ ． 体进 行了周围粘性流场 的数值模拟 。 自由液面采用 Ｖ Ｆ方法处理 ， 出 了不 同弗 劳德数下 船体 的粘性 阻力 系 Ｏ 得 数， 并与 Ｉｒ １５ Ｔ Ｃ ９７给出的平板摩擦 阻力系数计算公式 以及 巴普 米尔粘 压阻力 系数公式 丽者所 求 的粘性 阻力 系 数相 比较 ， 验证 了本文方法 的可行性 ， 为船舶阻 力预报 提供 了更为精 确的流体 分析方 案。 同时 ， 利用 Ｖ Ｆ方法 Ｏ
可以很好 的捕捉 自由液面波形 ， 反应 了船体的兴波现象 ， 为船 体优 化设 计提供重要的参考 。
关键 词 ：Ｌ Ｅ Ｔ 数值模拟 ； ＦＵ Ｎ ； 粘性流场 ； 自由液面
中图分类号 ：６１１ Ｕ ６ ． 文献标识码 ： Ａ
０ 引言
船 舶设 计 中 ， 体 的 阻 力预 报 精 度具 有 极 其 重 船 要 的作用 ， 设 计 性 能 良好 的 船 舶 具 有 重 要 意 义 。 对 船舶 是一 个 复杂 结构 体 ， 海上 航 行 时受 到 船 体 周 在 围粘 性 流场作 用 和波 浪对船 体 的兴 波作 用 。在这 种 流 固耦合 系 统 中可看作 是非 线性 不 可压 缩流体 的作 用 ， 符 合 连 续 性 方 程 和 Ｎ ｖ ｒ ｔｋｓ（ ．） 程 并 ａｉ ． ｏｅ ＮＳ 方 ｅＳ 式 。 由于这种 复 杂作 用 ， 考虑 带 自由液 面 船 体周 围
第２ ９卷
计算 模型通 过 转 换 文件 格 式 ， 人 ＩＥ Ｆ 导 Ｃ Ｍ Ｃ Ｄ并 对 其进 行修 改 ， 用 ６面 体结 构 网格 划 分 。在 船 体周 采 围及 自由液面需 要 进 行 网格 加 密 ， 以很 好 捕 捉 自 可
船体绕流场及流噪声的CFD模拟方法
船体绕流场及流噪声的CFD模拟方法刘波; 武国启【期刊名称】《《舰船科学技术》》【年(卷),期】2019(041)010【总页数】7页(P63-69)【关键词】绕流场; 流致噪声; CFD技术; 水下噪声; 数值模拟【作者】刘波; 武国启【作者单位】大连测控技术研究所辽宁大连116013【正文语种】中文【中图分类】U661.10 引言为了确定船体绕流场及其绕流发声问题，船模试验是一个非常重要的实验手段。
但是与CFD 方法比较，船模试验在时间和试验成本等消耗上是巨大的，且不能对船体周围流场及声场做出局部的特征估计和预报。
在2000 年召开的第四次国际船舶水动力学数值计算学术研讨会上，参加会议的学者讨论认为：采用计算流体动力学研究船舶绕流场已经达到很髙的精度要求，船舶各个部分的绕流情况基本可以利用CFD 进行精确的模拟。
对于物体的绕流问题，Zebib 等[1] 采用数值计算的方法研究了圆柱体的绕流扰动问题，结果表明圆柱体在对称情况下绕流扰动是稳定的，非对称情况下绕流不稳定。
Y.Ahmed 等[2] 利用CFD 数值模拟了VLCC 船体周围的自由液面情况，为船舶阻力确定提供了很好的预报；之后又利用CFX 模拟了不同弗劳德数下复杂船体绕流场的变化情况，模拟结果与实验数据非常接近[3]。
物体绕流发声问题首先在航空和航海领域得到高度关注，航空方面它会造成航空乘员感官和心理上的不适，航海方面对海洋生物短期和长期造成严重负面影响，特别是对海洋哺乳动物的影响更大。
对于物体绕流发声的研究，Lighthill[4-5]提出的声类比理论奠定了流致发声的理论基础，随后各国学者对绕流发声问题开展广泛的研究。
Paula Kellett[ 6 ]等基于CFD 研究了LNG 船水动力性能预报问题，利用FW-H方程计算船舶水下辐射噪声，并与实船噪声测量数据进行了比较，验证了船舶水下噪声预报的可行性。
曾文德[7]、魏英三[8] 等针对SUBOFF潜艇开展CFD 数值计算研究，获得了潜艇表面辐射声源的强度分布，指出水流动转捩区是主要的发声部位。
数值模拟现代水面舰船带自由面的湍流绕流场
ｓ ｒ ｔｒ ｓ ｃ ｏ ｅ ｏ ｕ ｒｅ ｌ ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｒ ｅ ｕ ａ ｅ ｔｒ ｕｅ ｔ ｆ ｗ．Ｐ ｒ ｅ ａ ｅ ｒ ｌｍｕ ｔ— ｏ ｓｅｎ ｗａ ｈ ｓ ｎ ｆｒ ｎ ｍｅ ｉａ ｓｍｕａｉ ｆｆｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ｂ ｌｎ ｏ ｅ ｏ ｆ ｌ ｕ ｅ ｈ ｘ ｈ ｄ ａ ｌｉ ｂｏ ｋ ｓｒ ｃｕ ｅ ｒ ｓ ｗｉ ｎ ｕ ｌｔ ｒ ｅ ｅ ａｅ ｙ ｕｓｎ ｒｄ ｔｐ ｌｇ ．Ｔｒｎ ｉｎ ｌ ｃ ｔｕ ｔ ｒｄ ｇ ｉ ｔ ｆ ｅ ｑ ａｉ ｗｅｅ ｇ ｎ ｒｔｄ ｂ ｉ ｇ ０ｇ ｏ ｏｏ ｙ ｄ ｈｉ ｙ ｉ ａ ｓｅ ｔＲＡＮＳ ｒ Ｅ ｗｅｅ
数值模 拟现 代水 面舰 船 带 自由面 的湍 流绕 流场
熊耀 宇 段 宏 姜 治芳 陈 立
中国舰 船 研 究设 计 中心 ， 北 武 汉 ４ ０ ６ 湖 ３０４
摘 要 ：为 了 研究 带 自由面 的船 舶 湍 流 绕 流 场 ，选 择 了一 艘 Ｉ ＇ ＴＩ Ｃ推 荐 的公 开 船 模 作 为模 拟对 象 ，数 值 求 解
Ｒ Ｎ Ａ Ｓ方程 此模 型为 带声 呐导 流 罩 和方 形 尾封 板 的 复杂 水 面 舰 船 。 用 ０ ｒ 采 ｇｊ 拓扑 算 法 生 成质 量 较 高 的纯 六 ｄ块 面体 多 块 结构 化 网格 ． 算 中采 用 Ｒ Ｇ ８湍 流 模 式 和标 准 壁 面 函数 ． 使 用 Ｖ Ｆ算 法 来 捕捉 自由面 。空 间 离 计 Ｎ 一 并 Ｏ 散 采 用 Ｑ Ｉ Ｋ格 式 ． 力 一 ＵＣ 压 速度 解耦 采用 ＰＳ ＩＯ算 法 。将 阻 力 和 波形 的数值 结 果 与 实 验数 据 相 比较 ， 阻 力 系数 总 误 差 约 ２ 船 侧 波 形 、 首 自由面 吻 合 良好 ． 示 了 Ｃ Ｄ 方法 在 船 舶 水 动 力学 中预 测 带 自由 面湍 流绕 流 场 的 有 ％． 船 显 Ｆ
带自由面船体绕流场数值模拟
直线 运动 时船 体 周 围 的粘 性 流 场 ， 据 相 对 运 动 根
原理 ， 可视 船 体静 止 ， 流 以速 度 一 流 向船 体 。 水 对 Ｎ Ｓ方程进 行 雷诺平 均 ， — 假定 流体 是不 可压 的 ， 可得 流场 的连 续方 程和 动量 方程 为 ：
关键 词 ：数 值 模 拟 ； Ｏ Ｖ Ｆ方 法 ；自 由表 面 ； 性 流 动 粘
中 图 分 类 号 ：６ １ １ Ｕ ６ ． 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ３—３ ８ （ ０ ８ ０ Ｏ 一 ３ １７ １ ５ ２ ０ ） ２一 １ Ｏ
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｓ ｏ ｓ Ｆｌ ｗ ｍ ｒ ｃ ｌ Ｓ ｍ ｌ ｔｏ ｆ Ｖｉｃ ｕ ｏ ｗｉｈ Ｆｒ ｅ Ｓ ｆ ｃ ｒ ｕｎ ｉ ｕ ｌ ｔ ｅ ｕｒ ａ ｅ ａ ｏ ｄ Ｓｈ ｐ Ｈ ｌ
维普资讯
第 ３卷 第 ２期
２０ ０ ８年 ４月
中 国
舰
船
研
究
Ｖ １３ Ｎ ． ｏ． ｏ ２
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带 自由面船体绕流场 数值模 拟
孙 荣 吴 晓光 姜治芳 吴启锐 卢晓晖
中 国舰船 研 究设 计 中心 ， 湖北 武 汉 ４ ０ ６ ３ ０４
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摘 要 ： 用 Ｃ Ｄ技 术 模 拟 带 自由 表面 船 体 周 围 粘 性 流 场 ， 由 表 面 采 用 Ｖ Ｆ法 进 行 处 理 。 将 计 算 结 果 与 采 Ｆ 自 Ｏ 经 验 公 式 估 算 结 果 和模 型试 验 结 果 进 行 比 较 ， 出阻 力 系 数 、 高 等计 算 结 果 ， 好 地 反 映 了 船 体 兴 波 情 况 。 给 波 较
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带自由面船体绕流场数值模拟孙荣吴晓光姜治芳吴启锐卢晓晖摘要：本文采用CFD技术模拟了带自由表面船体周围粘性流场，自由表面采用VOF法进行处理。
将计算结果与经验公式估算结果和模型试验结果进行了比较，给出了阻力系数、波高等计算结果，较好地反映了船体兴波情况。
关键词：数值模拟VOF方法带自由表面粘性流动Numerical Simulation of Viscous Flow with Free Surface around Ship Hull Abstract: Numerical simulation of viscous free-surface flow around a ship was carried out by using the commercial software CFX. The VOF method was used for the free surface parisons were made for the calculated resistance coefficients with experimental results and that calculated using semiempirical putational results include wave profile along ship hull and resistence coefficients,etc.Key words: Numerical simulation VOF method Viscous free-surface flow在船舶设计中，对船舶阻力和船体粘性绕流的精确预报是非常重要的。
在船舶阻力方面，一般是将阻力分为彼此独立的两部分——粘性阻力和兴波阻力。
前者是由水的粘性引起，后者因自由面的存在及重力作用而产生。
粘性流动和自由面的计算在很长的时间内是分开考虑的，即用势流理论方法处理自由面，而另外通过求解RANS方程来计算船体的粘性边界层。
在这种分离方法中，忽略了自由面对粘性的影响。
这是由于自由面的存在使得流动计算变得非常困难，因为自由面一方面是求解的必要条件，另一方面其形状和位置并非事先预知，是作为解的一部分由求解过程给出。
随着计算机性能和计算流体动力学的发展，数值模拟成为船舶工程领域一种强有力的研究手段，而如何对绕船体自由面周围粘性流场进行数值模拟，也成为了船舶流体力学领域里具有重要的理论价值和实用意义的研究方向。
本文采用商业软件CFX对绕船体自由面粘性流进行了数值模拟。
对计算结果进行了分析讨论。
1 CFD 模拟1.1 控制方程及湍流模型文中模拟了在静水中以定常速度U 0作匀速直线运动时船体周围的粘性流场，根据相对运动原理，可视船体静止，水流以速度-U 0流向船体。
在定常假设的前提下对N-S 方程进行雷诺平均，假定流体是不可压的，可得流场的连续方程和动量方程为：0=∂∂j jx U （1）i j j i i j j i j i jj i g x u u x U x U x x P x U U ρρνρρ+∂''∂-∂∂+∂∂∂∂+∂∂-=∂∂)()][)(（ （2） 式中，U i 、U j 为速度分量时均值（i 、j ＝1、2、3）；P 为压力时均值；ρ为流体密度；ν为流体运动粘性系数；g i 为重力加速度分量；j i u u ρ-为雷诺应力项。
雷诺应力项计入湍流模型，本文计算中选取标准κ-ε湍流模型来封闭RANS 方程：εσνν-+∂∂+∂∂=∂∂k j k t j jj P x k x x kU ])[()( (3) kc k P c x x x U k j t j j j 221])[()(εεεσννεεεε-+∂∂+∂∂=∂∂ (4) ενμ2k c t = （5） 式中，P k 为湍流动能生成项；νt 为湍流运动粘性系数；ε为湍流耗散率；κ为湍动能。
表1 标准κ-ε湍流模型经验常数表1.2 自由面数值模拟 对绕船体自由面粘性流进行数值模拟时，处理自由面的数值方法有很多，总的来说可以分为三类：界面适应法、界面跟踪法和界面捕捉法。
Hirt 和Nichols 于1981年提出了流体体积方法（VOF ），属于界面捕捉型方法。
该方法通过定义一个流体体积函数F ，用F 来标志每个网格单元的状态，F 的值等于一个单元内流体体积与该单元体积之比。
若F ＝1，则说明该单元全部为指定相流体所占据；若F ＝0，则该单元为无指定相流体单元；当0＜F ＜1时，说明该单元内含有自由表面。
并且F 的梯度方向表示了自由表面的法线方向，由流体的速度场便可确定F 的变化过程，函数),,,(t z y x F 的输运方程为：0)(=∂∂+∂∂F U x t F j j（6） VOF 法用F 函数描述自由表面的变化过程，能够处理变化剧烈的自由表面，如在自由面上的翻转、吞并和飞溅等现象，是目前研究自由表面问题的方法中应用较广泛并且较为理想的方法。
本文采用VOF 法来模拟自由面。
1.3 计算模型用于计算的船体模型主要要素见表2，B 为设计水线宽， T 为吃水，L 为水线长，pp L 为垂线间长。
表2 模型主尺度和船型参数1.4 网格划分考虑到模型的左右对称性，本文取一侧（右舷）进行计算。
计算区域根据设计水线面分为：空气和水两部分。
为避免远方边界条件对近船体流场的干扰，在参考文献[3，4]的基础上，计算区域入口取船体艏部向上游延伸至1倍船长处、出口取艉部向下游延伸至2倍船长处；区域外边界分别是由对称面（船体纵中剖面）向右舷方向、设计水线面向下延伸约0.6倍船长；区域上边界取设计水线面向上约两倍吃水高度处。
网格划分采用ANSYS ICEM CFD 完成，文中采用非结构网格离散空间计算域，由于船体表面比较复杂，在船体边界层区域建立棱柱状网格进行加密。
1.5 边界条件对所有未知变量，合理地给出边界条件是进行模拟计算的必要条件。
计算域的边界条件分为入口、出口、壁面、对称面及开放式边界等。
在入口边界上，来流为均匀流，给定来流速度以及空气和水的体积分数。
在出口边界上，认为流动达到稳定状态，设置流体出口压力值。
在船体壁面处，满足无滑移壁面条件。
在对称面处，采用对称边界。
将与来流方向平行的远方边界设为开放式边界。
2 计算结果及分析本文计算了傅氏数Fr ＝0.3和0.4时船体周围流场的形态（水温12℃）。
（1）阻力系数为了在一定程度上验证模拟计算得到的结果，将CFX 计算得到的粘性阻力系数计算νC 与经验公式估算的粘性阻力系数公式νC 、计算得到的总阻力系数计算t C 与试验结果试验t C 进行比较，比较结果见表3、4。
其中公式νC 由摩擦阻力系数f C 和粘压阻力系数p C ν相加得到： f C 按Prandtl-Schlichting 公式计算， p C ν按巴甫米尔公式计算(详见参考文献[6])。
表3 由公式估算的粘性阻力系数与计算值比较表表4 粘性阻力及总阻力比较表由表3可见粘性阻力模拟计算值与公式估算值较为接近。
表4中兴波阻力系数w C 由总阻力计算值扣除粘性阻力估算值得到，可以看出随着航速的提高，兴波阻力占总阻力的比重随之增加，这与兴波阻力占总阻力的比重随航速增加的变化规律是一致的。
而考虑自由面影响的总阻力计算值与试验值有偏差。
造成偏差的原因可能涉及到网格布置的疏密度、边界条件以及湍流模型等[6]。
因此有待于通过在这些方面加以改进，如加密近船体区域的网格来更准确地捕捉流场流动特性等，从而进一步缩小其偏差。
（2）波高分布图1 船侧波高分布图1为Fr ＝0.3时船侧波高计算值。
图中反映了船艏、船舯及船艉处的波峰位置及波高。
与参考文献[4]比较，波高沿船长的分布规律较为一致。
（3）速度矢量图图2与图3为Fr ＝0.3时的船艏附近速度矢量分布情况，其中图2为考虑自由表面兴波情况、图3为无自由表面叠合模模拟结果。
图3中仅在舭部附近存在涡，而图2与图3相比，另外还在自由表面处有涡存在，反映了自由表面对流场的影响。
因此考虑自由面的粘性流场模拟更能合理地反映实际情况。
图4 船体艏部速度矢量图图4为Fr＝0.4时船体艏部速度矢量图，可以清楚地看到艏部的速度变化和流场中的细节。
3 结语带有自由表面的非稳态不可压粘性流体流动问题的求解，具有广泛的工程背景。
采用CFD技术模拟带自由面粘性流场，从而进行船舶初步设计中的船型选优和快速性验证，不失为一种提高研究开发效率的实用途径。
本文正是利用商用软件对带自由面粘性流动进行模拟，采用VOF法处理自由面，将粘性流动和自由面联合考虑，并将模拟结果与经验公式估算结果和模型试验结果进行比较，较真实地反映了船体兴波情况。
参考文献：1 张健，方杰，范波芹.VOF方法理论与应用综述[J].水利水电科技进展，2005，25（2）：67-70.2 QI Peng,HOU Yijun.A VOF-based numerical model for breaking waves in surf zone[J].ChineseJournal of Oceanology and Limnology,2006,24（1）：57-64.3 GAO Qiuxin.Numerical Simulation of Free Surface Flow around Ship Hull[J].Journal of ShipMechanics,2002,6（3）：1-13.4 Zhang Zhirong,Zhao Feng,LI Baiqi.Numerical Calculation of Viscous Free-Surface Flow AboutShip Hull[J]. Journal of Ship Mechanics,2002,6（6）：10-16.5 张怀新，刘应中，缪国平.带自由面三维船体周围粘性流场的数值模拟[J].上海交通大学学报，2001，35（10）：1429-1432.6 李云波，陈康，黄德波.三体船粘性阻力计算与计算方法比较[J].水动力学研究与进展，2005，20（4）：452-457.7 吴维武，吴家鸣.水动力计算中自由表面处理的研究方法简介[J].广东造船，2006（3）：16-19.8 张志荣，赵峰，李百齐. κ-ω湍流模式在船舶粘性流场计算中的应用[J].船舶力学，2003,7（1）：33-37.。