基于FLUENT的多体船阻力研究
基于CFD的高速舰船阻力与尾部伴流场的数值模拟
分类号U661.31 密级公开U D C 532 编号S201370104 中国舰船研究院硕士学位论文基于CFD 的高速舰船阻力与尾部伴流场的数值模拟作者：周芃指导老师：李为研究员学科专业：船舶与海洋结构物设计制造中国舰船研究设计中心二〇一三年三月分类号U661.31 密级公开UDC 532 编号S201370104 硕士学位论文基于CFD 的高速舰船阻力与尾部伴流场的数值模拟Numerical simulation of a high speed ship for resistance and wake based on CFD method指导老师姓名：李为职称：研究员学位申请人姓名：周芃申请学位级别：工学硕士专业名称：船舶与海洋结构物设计制造研究方向：舰船流体总体优化设计论文提交时间：2013.3 培养单位：中国舰船研究设计中心第七〇一研究所学位授予单位：中国舰船研究院学位论文原创和使用授权声明学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文所有研究工作，均是在导师指导下由作者本人独立完成。
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（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要高速水面舰船轴系附体直接影响着螺旋桨盘面伴流场，而双臂轴支架是安装于船尾轴上最靠近螺旋桨的轴系附体。
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Fluent的船体界面阻力分析
舰 船 科 学 技 术
ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨ于Ｆｌｕｅｎｔ的船体 界面阻 力分 析
熊一超 ，袁 成 清 （武 汉理 工 大 学 能源 与动 力工 程 学院 可 靠性 工程研 究 所 ，湖北 武汉 ４３００６３）
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｕｌｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗ ａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＦＬＵ ＥＮ Ｔ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｖ Ｏ Ｆ ｍ ｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍ ｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｈｕｌｌ ｉｎ ｔｗｏ ｐｈａｓｅｓ ｏｆ ａｉｒ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｅｄ ｈｕｌｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｂｌｏｃｋ ｃｏｅｆｉ ｃｉｅｎｔ ｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｉｎ ｆ ｌｕｅｎｔ ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｌｏｃｋ ｃｏｅｆｉ ｃｉｅｎｔ，ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｈｕｌｌ ｂｌｏｃｋ ｃｏｅｆ ｉ ｃｉｅｎｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ Ｆｒｏｕｄｅ Ｎｕｍ ｂｅｒ ｏｆ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｉｍ ｅ，ｇｅｔ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｏｐｔｉｍ ｉｚｅｄ ｓｈｉｐ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｔｈｉｓ ｍ ｅｔｈｏｄ ｉｓ ｍ ｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｍ ｏｄｅｌｉｎｇ ｗ ｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｍ ｏｒｅ ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｕｌｌ ｌｉｎｅｓ ｏｆ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．
基于fluent的阻力计算
（2.15）
湍流耗散率ε方程：
（2.16）
与标准k −ε模型相比较发现，RNG k−ε模型的主要变化：
通过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转流动情况；
在ε方程中增加了一项，从而反映了主流的时均应变率Eij，这样，RNG k−ε模型中产生项不仅与流动情况有关，而且在同一问题中也还是空间坐标的函数。
在使用出口边界时需要特别注意，该边界只在进入计算域的流动是以进口边界条件给定(如在进口给定速度和标量)时才使用，而且仅推荐在只有一个出口的计算域中使用。物理上，出口压力控制着流体在多出口间的分流情况，因此，在出口给定压力值要比给定出口条件(梯度为零)合理。将出口条件和一个或多个恒压边界结合使用是不允许的，因为零梯度的出口条件不能指定出口的流量，也不能指定出口的压力，这样将使问题不可解。
基于连续介质假设的流体力学中流体运动必须满足要遵循的物理定律:
1)质量守恒定律
2）动量守恒定律
3）能量守恒定律
4）组分质量守恒方程
针对具体研究的问题，有选择的满足上述四个定律。船体的粘性不可压缩绕流运动，如果不考虑水温对水物理性质的影响，水的密度和分子粘性系数都是常数，同时没有能量的转换，就仅仅需要满足质量守恒定律、动量守恒定律。在满足这些定律下所建立的数学模型称为Navier-Stokes方程。
使用边界条件的注意事项
1．边界条件的组合
在CFD计算域内的流动是由边界条件驱动的。从某种意义上说，求解实际问题的过程，就是将边界线或边界面上的数据，外推扩展到计算域内部的过程。因此，提供符合物理实际且适合的边界条件是极其重要的，否则，求解过程将很难进行。CFD模拟过程中迅速发散的一个最常见的原因就是边界条件选择的不合理。例如，只给定进口边界和壁面边界，而没有给定出口边界，那么，将不可能得到计算域的稳定解，CFD将越计算越发散。这样的边界条件组合显然是不合理的。
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。
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的喷水推进双体船横移运动水动力性能研究
基于CFD的喷水推进双体船横移运动水动力性能研究随着技术的进步，喷水推进技术在船舶领域得到了广泛应用。
对于双体船这种特殊结构的船舶来说，其横移运动水动力性能研究显得尤为重要。
本文基于计算流体力学（CFD）方法，对喷水推进双体船的横移运动水动力性能进行了深入研究。
首先，我们对双体船的几何模型进行了建模和网格划分。
采用商用CFD软件对双体船在不同横移运动速度下的流场进行了模拟计算，得到了双体船在横移运动中的阻力系数、升力系数和横移力系数等水动力性能参数。
接着，我们对比分析了不同喷水推进系统的对双体船横移运动水动力性能的影响。
通过调整喷水角度、喷水速度和喷水位置等参数，分析了不同喷水推进系统在双体船横移运动中的效果，并找到了最优的喷水推进系统设计方案。
此外，本文还探讨了双体船的船体形状对其横移运动水动力性能的影响。
通过改变双体船的船体形状，比如船体宽度和平底或V型船艏等，研究了船体形状对横移运动水动力性能的影响，并提出了优化设计建议。
最后，我们对所得到的研究结果进行了总结和分析，并展望了未来的研究方向。
本文的研究成果对于喷水推进双体船在横移运动中的水动力性能优化具有一定的指导意义，同时也为相关领域的研究提供了一定的参考价值。
综上所述，本文基于CFD方法对喷水推进双体船的横移运动水动力性能进行了研究，通过对不同喷水推进系统和船体形状的分析，得到了一些重要的结论，并为喷水推进双体船的设计和性能优化提供了一定的理论依据和技术支持。
希望本文的研究成果能够为相关领域的从业者和研究人员提供一定的参考和借鉴，推动喷水推进技术在双体船领域的应用和发展。
基于FLUENT的五体船静水中水动力特性数值模拟
基于FLUENT的五体船静水中水动力特性数值模拟陈淑玲;杨松林;刘智【摘要】The popular CFD software FLUENT was used in this paper to study the hydrodynamic performance of high-speed pentamaran with different transverse distances between the main-hull and the side-hulls. Pressure distribution , resistance coefficient and free surface deformations are investigated for three different distances between the main-hull and the side-hulls at the same velocity. Then we discussed the effect of side-hulls position on the total resistance. Through the research, it is shown that commercial CFD software FLUENT can be used to calculate and simulate the hydrodynamic characteristics of the multi-hull ship with free surface. This provides some foundation and reference on the further research of the hydrodynamic characteristics of the multi-hull ship with CFD software FLUENT.%采用目前广泛应用的计算流体力学软件FLUENT,研究了对应侧体不同横向位置时高速五体船在静水中的水动力特性.通过计算给出了3种不同附体与主体中心距的五体船模在同一航速下的阻力系数,压力分布和自由液面波形等,并分析了附体位置对总阻力的影响.研究表明:将FLUENT软件应用于考虑自由表面的多体船水动力数值模拟和计算中是可行的,为进一步使用FLUENT软件研究多体船的水动力性能提供了依据和参考.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(026)006【总页数】5页(P541-545)【关键词】五体船;FLUENT;阻力;数值模拟【作者】陈淑玲;杨松林;刘智【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U661.1五体船(Pentamaran)是近来发展的一种新船型,其结构由一个主船体和两侧加上4个提供稳性的小侧体组成,静浮时后侧2个浮体有稍许浸沉,前侧2个小浮体的龙骨线位于满载水线之上.国内外已有的理论分析和模型试验结果表明,五体船船型具有高速阻力小,适航性高,稳性较好等优点.文献[1]利用直接计算法对高速五体船结构进行设计,并结合实例阐述了五体船结构设计的外载荷计算、结构分析、疲劳分析等关键问题；文献[2]利用Michell线性兴波理论,以单体船的波谱函数为基础得到了五体船的兴波阻力的计算公式；文献[3]利用高速细长体理论对排水型双体船在波浪上运动性能进行了预报,并可将此理论用到五体船上；文献[4]利用Michell薄船理论,对具有不同纵横向位置侧体的三体船阻力进行了计算,阻力计算结果与试验结果比较接近,可将该理论应用于五体船型的方案优选.作为一种新船型,首要问题之一是快速性,这是评价新船型优劣的基本依据之一.阻力研究途径包括理论计算方法和船模试验研究方法.文献[5]通过试验手段研究了五体船的阻力性能以及五体船后侧体型线形式、位置改变、对称形式、排水量改变、长宽比改变对阻力的影响.文中着重应用数值计算研究方法对五体船型的阻力性能进行系统的研究.1 控制方程与数值计算方法1.1 控制方程对于不可压缩粘性流体,流体遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律, 在笛卡尔坐标系下忽略湍流脉动的影响,流体密度为常数,质量守恒及动量守恒方程形式即为连续方程和Navier-Stokes动量方程,其微分形式为:(1)(2)式中:ρ为流体密度;μ为动力黏性系数;ui，uj为速度分量时均值; 为速度分量脉动值;p为压力时均值;Si为动量方程广义源项；上画线“-”表示对物理量取时间平均.1.2 湍流模型除了标准k-ω模型[6],FLUENT 6.3及以前的版本还提供了剪切应力输运k-ω模型,简称SST k-ω模型.如此命名是因为它为了考虑基本的湍动剪切应力而采用了修改过的湍动粘度定义式.因此,它比标准k-ω和标准k-ε 模型有更好地表现.其它的修正(包括ω 输运方程中的交叉扩散项以及混合函数)则是为了保证该模型在近壁区域和远场都有很好的预测效果.和高雷诺数湍流模型相比,它消耗的计算时间少.文中应用的SST k-ω湍流模型的方程如下:(3)Gω-Yω+Dω+Sω(4)式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,Gω是由ω方程的产生项,它们的表达式都和标准k-ω 模型中的一致；Γk和Γω表明了k 和ω的有效扩散；Yk 和Yω是由湍动产生的耗散,它的表达式和标准k-ω模型中的相同；Dω为交叉扩散项；Sk和Sω是用户自定义的源项.1.3 自由面处理方法在FLUENT中,采用VOF模型用于处理自由液面问题.VOF方法是基于两种或多种流体(或相)互相之间没有穿插这一事实.对于包含空气和水两相流体的空间区域,定义标量函数f,存在水空间点的f 值等于1,其他不被水占据点的f 值为0.在各网格单元上对f 值积分,并把这一积分值除以单元体积, 得到单元的f 平均值,即网格单元中水所占据的单元体积份额,在VOF方法中把这一份额值定义为F.若在某时刻网格单元中F=1,说明该单元全部为指定相水所占据,为水单元;若F=0,则该单元全部为空气所占据.当0<F<1 时, 则该单元为包含两相物质的交界面单元.文中如果F=0.5就认为该空间点为水和空气的交界面.F 函数满足的方程为:(5)2 数值计算2.1 计算模型文中五体船的主体和附体都是采用的Wigley船型建立的模型.Wigley船型作为含自由面船模绕流场CFD具体研究的第一个对象,是因为它有相对比较简单的几何船型,已被广泛研究并获得了一定数量的资料积累[7-9].Wigley船型的几何表达由下面的方程式给出:(6)式中：B是船宽,L是船长,H是船的吃水深度,0≤x≤L,-H≤Z≤0.Wigley船型的主要参数列于表1,其中LPP是垂线间长,CB是方形系数.表1 Wigley船型主要参数Table 1 Principle dimension of the wigley hull.B/LPPH/LPPL/LPPCB0.10.62510.44文中计算对象为小水线面五体船船型.主船体水线长1 m,水线面宽0.1 m.前后端附体长0.21 m,宽0.02 m.前后附体中线与主体中线距离相同.船模主体在静水情况下吃水为0.1 m,后端附体吃水0.06 m,前端附体在水线以上0.01 m.五体船模型如图1.图1 五体船模型外形俯视图Fig.1 Sketch for the layout of the hulls2.2 计算区域及网格划分为尽量消除边界反射的影响,经过多次计算实践并参考相关文献[10-12], 采用的控制域为一长方体, 并按如下方案设置计算控制域的范围及船模在控制域中的位置:船首前端计算区域取1倍船长,船尾后为3倍船长,船底以下计算区域为15倍吃水,甲板以上计算区域为4倍吃水,宽度方向为10倍附体与主体间距.主船体船长为1 m, 得到计算控制域的长、宽、高分别为5,1,1.3 m.模型关于中纵剖面对称,取一半进行计算即可.为简化建模过程,将坐标原点设置在船尾最低点,x 轴取指向船首为正,y 轴取指向右舷为正,z 轴取向上为正.船模在控制域中的位置及控制体情况如图2. 图2 计算流场区域Fig.2 Computation domain of the flowa) 船体表面网格图b) 计算域网格图图3 计算网格透视图Fig.3 Mesh model of pentamaran文中的五体船结构复杂,因此使用单块结构化网格已不能获得较高网格质量的计算网格,为此,采用多块结构化网格,整个计算区域共分77块,在参考作者以前所做的网格收敛性的研究和有关文献资料的基础上,网格单元总数取为560 950.为了模拟边界层内流动,网格在靠近物体表面处加密.图3为计算区域的网格划分图.2.3 边界条件计算区域的边界包括:入口边界、出口边界、船体(含主船体和侧片体)、计算域侧边界和上下边界(包含顶部和底部).①进口边界条件,在计算域的进口处,给定速度为船模航行速度;② 出口边界条件,使用压力出口边界条件,即出口处的水压随水深成线性增加p=ρgh (其中：ρ水的密度, g重力加速度,h水的高度);③ 壁面边界条件,在船体表面上满足无滑移条件;④ 对称面边界条件,在对称面上满足对称面条件.船模航行速度V=2 m/s,对应的傅汝德数为0.7.2.4 数值方法选用计算流体力学软件FLUENT作为求解器,使用有限体积法(finite volume method, FVM)对控制方程进行离散,其中对流项采用二阶迎风差分格式,扩散项采用中心差分格式.离散得到的差分方程组具有高度耦合性和非线性,使用SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equations) 方法求解,时间步长为0.005.3 数值模拟结果及分析计算了3种不同附体与主体间距的五体船船型,3种间距(a)分别为0.08，0.10，0.12 m.通过计算得到了各船型在同一航速下的兴波状况和水的总阻力系数Cd等参数.其中:(7)式中:Rt为船舶总阻力,ρ为水的密度,v为从船舶航速,S为船体湿面积.表2为船舶同一航速下不同附体和主体中心距的五体船总阻力系数,可以发现,在附体与主体中心距为0.10 m时达到最大值,0.12 m时船体的总阻力最小,0.08 m其次.表2 同一航速下,附体与主体不同中心距五体船的总阻力系数Table 2 Total resistance coefficient of pentamaran withdifferent distance between main hull and side-hulla/m0.080.10.12 Cd0.005 3550.005 7970.005 2163.1 船体表面压力分布在FLUENT中,动压力观察动压力图(图4),由于粘性的作用水流速度自船首向船尾逐渐减小,导致动压也随之降低,从图中可以发现有明显的上下分层,这主要是由于空气和水两种不同的流体介质的密度不同造成的.在图中可以看到在船去流段处船尾部分明显比进流段范围大,说明压力有所降低,这是由于粘性的作用使船体去流段的压力恢复不到进流段时的数值,从而产生了一个方向向后的压力差值.此为阻力成分中粘压阻力的形成原因.a) a=0.08 mb) a=0.10 mc) a=0.12 m图4 Fr=0.7时动压力分布图Fig.4 Dynamic pressure distributionon the hull(Fr=0.7)3.2 自由水面线形状图5分别为附体与主体中心距分别为0.08,0.10，0.12 m时船兴波的波形图.由船舶阻力理论[12]可知,船舶总阻力由粘性阻力和兴波阻力组成,粘性阻力主要和雷诺数Re相关,当来流速度相等,雷诺数相同,船舶的粘性阻力系数相等.兴波的波高反应了船体兴波阻力的大小,兴起的波浪越高船体损失的能量越多,船舶兴波阻力就越大.该五体船的水线为-0.068 42,从图中可以看出a=0.12 m时兴波的波高最低,所以a=0.12 m时兴波阻力最小,总阻力最小,这和图4曲线的结果相一致.同时通过观察波形图可以看到附体所在位置对主船体阻力的影响,图6b)中,首部两个附体增加了主船体首部的兴波,船尾部的两个附体也增加了波谷的值,因此造成了船舶主体兴波阻力的不利干扰,使总阻力增加,和图4曲线的结果也一致.a) a=0.08 mb) a=0.10 mc) a=0.12 m图5 Fr=0.7时的自由液面波形图Fig.5 Wave pattern of the free surface(Fr=0.7)3.3 间距对收敛速度的影响图6中给出了Fr=0.7时附体与主体中心距a=0.08,0.10,0.12 m 3种情况下阻力系数Cd时间历程变化曲线,通过图7可以发现计算结果均已收敛,中心距的增加将导致计算收敛速度变慢.因为附体距主体之间的中心距划分的网格数相同,随着中心距的增加网格尺寸变大,网格尺寸的变化导致了收敛速度变慢.a) a=0.08 mb) a=0.10 mc) a=0.12 m图6 Fr=0.7时Cd随时间变化曲线Fig.6 Time history ofCd(Fr=0.7)4 结论利用RANS 方程、SST k-ω湍流模型和模拟自由面的VOF方法对水面高速五体船的水动力特性进行计算, 通过结果分析表明文中建立的模型是可靠的.计算研究表明,五体船的阻力特性和附体横向位置有关,在附体与主体中心距为0.12 m时船体的总阻力最小;通过对水下船体表面的压力分布进一步分析了船体粘压阻力的形成及附体对粘压阻力的影响;通过对自由水线面形状的分析可知,文中附体的位置对主体兴波阻力并没造成有利干扰,因此以后可以通过调整附体与主体之间的纵向距离对五体船的阻力特性进行进一步的研究.同时附体与主体横向间距的增加将导致计算收敛速度变慢.参考文献[1] 卢晨,肖熙. 高速五体船结构设计的几个关键问题[J].船舶，2004, 10(5):21-26. Lu Chen, Xiao Xi. Key problems in designing the structures of the high speed pentamaran[J]. Ship & Boat, 2004, 10(5):21-26.(in Chinese)[2] 蔡新功,常赫斌,王平.多体船型在静水中的兴波阻力研究[J].水动力学研究与进展,2009,24(6):713-723.Cai Xingong, Chang Hebin, Wang Ping. Research about the wave-making resistance of multi-hull ship in the calm water[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics, 2009, 24(6):713-723.(in Chinese)[3] 段文洋,贺五洲. 高速细长体理论在双体船运动计算中的应用[J].工程力学, 2002, 19(2):138-142.Duan Wenyang, He Wuzhou. Application of the high-speed slender body theory to motion estimation for catamarans[J]. Engineering Mechanics, 2002, 19(2):138-142.(in Chinese)[4] 蔡新功,王平,谢小敏. 三体船方案优化布局的阻力计算与试验研究[J]. 水动力学研究与进展,2007, 22(2):202-207.Cai Xingong, Wang Ping, Xie Xiaomin. Resistance study on alterative layouts of the trimaran hull configuration[J]. Journal of Hydrodynamics, 2007, 22(2):202-207.(in Chinese)[5] 贺俊松,张凤香,陈震. 五体船型的阻力性能试验[J]. 上海交通大学学报,2007,41(9):1449-1453.He Junsong, Zhang Fengxiang, Chen Zhen. An experimental study on pentamaran resistance characteristics[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2007, 41(9):1449-1453.(in Chinese)[6] 王瑞金,张凯,王刚. Fluent技术基础与应用实例[M]. 北京:清华大学出版社,2007:113-143.[7] Fuat Kara, Chun Quan Tang, Dracos Vassalos. Time domain three-dimensional fully nonlinear computations of steady body-wave interactionproblem[J]. Ocean Engineering, 2007, 34:773-789.[8] Celebi M S. Computation of transient nonlinear ship waves using an adaptive algorithm[J]. Journal of Fluids and Structures, 2000,14:281-301. [9] Wang Q X. Unstructured MEL modelling of nonlinear unsteady ship waves[J]. Journal of Computational Physics, 2005, 210:368-385.[10] 张志荣, 赵峰, 李百齐. 绕船体粘性自由面流动的数值计算(英文)[J]. 船舶力学，2002, 6(6):10-17.Zhang Zhirong, Zhao Feng, Li Baiqi. Numerical simulation of three-dimensional viscous flow with free surface about a ship[J]. Journal of Ship Mechanics, 2002, 6(6):10-17.(in Chinese)[11] 李良彦.船舶阻力及粘性流场的数值模拟[D]. 大连:大连理工大学,2008.[12] 盛振邦,刘应中.船舶原理[M]. 上海: 上海交通大学出版社,2003:189-210.。
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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基于CFD的双体船航行阻力研究
提出了一种重
收稿日期： 2016 － 04 － 10 作者简介： 王晓燕（ 1980 － ） ， 女， 硕士， 讲师， 研究方向为机械设计与自动化控制 的双体船航行阻力研究 流场内，任意一点流体的密度为： y， z， t） 。 ρ = ρ（ x ， 流体瞬时密度分布函数为： y， z， t） ， ρ1 = ρ1 （ x ， y， z， t） 。 ρ2 = ρ2 （ x ， 将式（ 4 ） 在时刻 t2 进行展开，可以得到： ρ2 = ρ1 + （ （ ρ ρ ） （ t － t1 ） + （ ） 1 （ x2 － x1 ） + t 1 2 x
［1］
为了研究一
种复合材 料 螺 旋 桨 结 构 的 水 动 力 特 性 ， 采 用 多 种 湍流模型 对 其 进 行 数 值 研 究 ， 并 将 固 体 求 解 器 与 流体求解 器 相 结 合 ， 研 究 了 螺 旋 桨 结 构 的 流 固 耦 合动力学特 性 。 以 此 为 基 础 ， 系 统 讨 论 了 螺 旋 桨 几何参数 对 其 水 流 动 力 特 性 的 影 响 。 叶 剑 平
established and is simplified as a twodimensional flow field problem． Then the coupled fluid mechanics theory and the turbulent energy dissipation equation has carried on the fluid dynamics to ship sailing resistance calculation，and obtained the sailing resistance characteristic． Calculation results show that： the method proposed here convergence faster with better stability and can effectively calculate the ship sailing resistance． This method can provide a reference for ship structure design． Key words： double hull ship； sailing resistance； fluid mechanics； energy dissipation 叠网格与采用 κ － ω 模型相耦合的流体动力计算方 法 ， 并对 某 船 舶 结 构 绕 流 问 题 进 行 了 数 值 计 算 ， 结果表明 该 方 法 较 为 可 靠 。 张 帅 等
基于CFD的三体船水动力性能计算
基于CFD的三体船水动力性能计算近年来,随着人们对海洋资源开发的日益迫切以及国际间领海争议的日益激烈,人们对海上运输工具——船舶提出了更高的要求。
高性能船舶也越来越备受关注。
与此同时,由于计算机技术的飞速发展,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)发展迅速。
CFD由于其设计周期短、成本低、精度高等优点,近年来已逐渐成为科研人员设计新船型的主要方法。
本文基于CFD分析软件STAR-CCM+对不同构型的三体船进行了静水阻力、静水航态、波浪总阻力、零航速横摇等水动力性能的计算研究。
首先,本文对不同构型的三体船进行了0.130<Fr<0.805范围内静水阻力和静水航态的数值计算。
针对不同构型的三体船,对比分析了其试验数据和数值模拟的结果,并给出了相对误差。
当三体船周边出现喷溅现象时,相对误差较大；当三体船的体积傅汝德数Fr▽较高时,其航态与排水航行状态相比发生了明显的变化。
当计算工况的体积傅汝德数Fr▽较高时,应该放开三体船相应的自由度。
随后,本文对不同构型的三体船进行了遭遇频率4.0rad/s<ωe<15.7rad/s 范围内波浪总阻力的数值计算。
相同航速的情况下,在某个遭遇频率范围内三体船的波浪总阻力相对较大,低于或高于这个频率范围的波浪总阻力大致相等。
波浪总阻力成分的分析结果表明：造成不同构型的波浪总阻力曲线差异的主要原因是不同构型三体船间的“压阻力”曲线的变化情况不一致；遭遇频率较大或者较小时,各阻力成分(“摩擦阻力”和“压阻力”)的变化幅值均较小,即各阻力成分的数值相对稳定。
最后,本文对不同构型的三体船进行了2.5rad/s<ωe<5.6rad/s范围内零航速横摇运动的数值计算研究。
数值计算结果表明：当遭遇频率频率较小时,随着遭遇频率的减小横摇运动响应因子RAO趋于某一个常数。
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FLUENT的多体船阻力研究
基于FLUENT的多体船阻力研究张杨;陈林;张忠宇;杨帆;郑律【摘要】基于FLUENT软件对小水线面多体船舶进行了阻力特性研究.首先将计算得到小水线面双体船的粘性阻力与用经验公式估算得到的阻力进行比较,发现两者吻合较好；然后将小水线面双体船、三体船、四体船的阻力及流场分布进行比较,得到多体船的阻力特征；最后将静水中小水线面四体船的数值解与文献中的实验值进行比较,发现应用FLUENT软件计算小水线面四体船的阻力是可行的,验证了用FLUENT软件和相关参数设置计算小水线面多体船型阻力的正确性.【期刊名称】《船舶》【年(卷),期】2012(023)005【总页数】8页(P23-30)【关键词】FLUENT;小水线面;多体船;阻力【作者】张杨;陈林;张忠宇;杨帆;郑律【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;哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001;上海船舶运输科学研究所上海200135;哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】U661.31+1;U674.9510 引言近几十年来，高性能船舶由于在耐波性、快速性、经济性等方面的优越性，获得了巨大的发展［1］。
多体船作为高性能船的一个重要方向，进展也较快。
船舶阻力可以分为摩擦阻力、兴波阻力和粘压阻力，其中又以摩擦阻力和兴波阻力为主。
一般采用相当1 双体船的阻力性能研究双体船的船型及水动力研究相对成熟，本文针对小水线面双体船（SWATCH）进行阻力计算，并与相关经验公式进行对比，以验证计算模型的合理性［2］。
1.1 计算模型的建立本文的计算模型为SWATH数学船型。
其水下片体由圆柱体平行中体、首尾两端各为半个椭圆球体的主体，以及垂直水面方向的等截面柱体支柱组成，如图1所示。
图1 船型水下片体结构图1中各特征尺度见表1。
表1SWATH数学船模特征尺度单位：mLs B La Lp Lf D 2.1 0.1 0.575 2.1 0.575 0.3速度入口位于SWATH首部上游1倍船长处，压力出口位于SWATH船尾下游3倍船长处，周向无剪力固壁边界位于自SWATH中心线向外延伸1倍船长处。
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。
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FLUENT的双体船阻力建模分析
基于FLUENT的双体船阻力建模分析马娟;魏斌;顾根南【摘要】利用商业软件GAMBIT对SWATH船进行建模,FLUENT对SWATH船进行数值模拟.对SWATH船通过改变两潜体的间距,得到在不同航速下船体受到的阻力等结果,然后再对所得到的结果进行分析处理,最后得到相应的结论,体现了CFD 软件在船舶工程领域的优越性.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2019(032)004【总页数】3页(P41-43)【关键词】小水线面双体船;商业软件FLUENT;阻力计算【作者】马娟;魏斌;顾根南【作者单位】江苏联合职业技术学院无锡交通分院,江苏无锡 214151;江苏联合职业技术学院无锡交通分院,江苏无锡 214151;江苏联合职业技术学院无锡交通分院,江苏无锡 214151【正文语种】中文【中图分类】U6610 引言从近代船舶诞生至今，如何改善和提高排水量型船舶耐波性一直是从事船舶设计和研究工作的工程师和学者所面临的一个问题同时也是他们所不断追求的一个重要目标。
所以为了提高船舶的航行性能，满足日益发展的海上运输和军事方面的需要，人们一直在不断地努力探索新的船舶设计概念[1]。
而小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,简称SWATH)的设计概念就是在这种形式下诞生的。
而SWATH在近40年也得到了快速的发展，在军民领域都已经有了广泛应用。
目前主要将这种船型用于承担紧急海事救难、巡逻执勤、海关缉私、港监引水、渔政海监、潜水打捞、油井守护、交通等海上特种作业，开展海洋考察、水文测量等调查研究工作，执行水声监听、反水雷试验、隐身演示等军事任务，开创海峡岛陆间的轮渡航运、观光旅游、海上娱乐等产业降[2]。
总体来看，SWATH目前的应用趋势是以民为主，兼顾军用。
通过一些研究能更加深刻的了解SWATH。
1 计算对象的SWATH在对SWATH的阻力计算当中，由于现实条件的限制，只能通过一个SWATH的数学模型来进行研究。
基于fluent的阻力计算
基于fluent的阻力计算本文主要研究内容1．本人利用FLUENT软件的前处理软件GAMBIT自主建立简单回转体潜器模型，利用FLUENT求解器进行计算，得出在不同潜深下潜器直线航行的绕流场、自由面形状及阻力系数的变化情况。
2．通过对比潜器在不同潜深情况下的阻力系数，论证了增加近水面小型航行器的深度可以有效降低阻力。
通过对模型型线的改动，为近水面小型航行器的型线设计提供了一定的参考。
通过改变附体形状和位置计算了附体对阻力的影响程度，为附体的优化设计提供了一定的依据。
计算模型航行器粘性流场的数值计算理论水动力计算数学模型的建立根据流体运动时所遵循的物理定律，基于合理假设（连续介质假设）用定量的数学关系式表达其运动规律，这些表达式成为流体运动的数学模型，它们是对流体运动的一种定量模型化，称为流体运动控制方程组。
根据控制方程组，结合预先给定的初始条件和边界条件，就可以求解反映流体运动的变量值，从而实现对流体运动的数值模拟预报，形成分析报告。
基于连续介质假设的流体力学中流体运动必须满足要遵循的物理定律:1)质量守恒定律2）动量守恒定律3）能量守恒定律4）组分质量守恒方程针对具体研究的问题，有选择的满足上述四个定律。
船体的粘性不可压缩绕流运动，如果不考虑水温对水物理性质的影响，水的密度和分子粘性系数都是常数，同时没有能量的转换，就仅仅需要满足质量守恒定律、动量守恒定律。
在满足这些定律下所建立的数学模型称为Navier-Stoke 方程。
另外，自由液面的存在也需要建立合适的数学模型。
本文是利用FLUENT进行数值模拟，而软件里面关于自由液面模拟是用界面追踪方法的一种－流体体积法（VOF）,基于该方法所建立的数学模型称为流体体积分数方程。
另外，高雷诺数下的水动力问题还需要考虑粘性不可压缩流体的湍流运动。
对于湍流运动的数值模拟一直是流体力学数值计算的一个难点。
直接数值模拟（DNS）目前还仅仅在院校中研究，而且也仅限于二维流体问题。
基于Fluent的船体界面阻力分析
基于Fluent的船体界面阻力分析
熊一超;袁成清
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2016(038)005
【摘要】基于 Fluent对船体界面阻力进行仿真分析，采用 VOF的方法模拟船体在空气和水两相中的运动情况，获得不同航速下船体摩擦阻力和压差阻力的关系。
考虑方型系数对于船体阻力的影响，建立多个方型系数不同的模型来实现Fluent 仿真模拟，获得一定傅汝德数下船体方形系数与船体阻力的关系，得到船舶阻力相对优化的船型。
该方法通过更加精确的建模可为船体型线减阻提供更多的依据。
【总页数】4页(P35-38)
【作者】熊一超;袁成清
【作者单位】武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所，湖北武汉430063;武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所，湖北武汉430063【正文语种】中文
【中图分类】U661.31+
【相关文献】
1.基于FLUENT的船体NURBS型线优化 [J], 汪敏;吴静萍;许玲
2.基于Fluent的三维注塑充填界面追踪方法研究 [J], 李宗蔚;任梦柯;宋贝贝;阮诗伦;李征;王新宇
3.基于桩土界面摩擦特性和桩周土体应力状态的\r基桩极限侧阻力分析 [J], 刘卡伟;邓少华
4.基于Fluent的碟形水下机器人黏性流场阻力分析 [J], 于浩然;张禹;潘炳成
5.高速滑行船体的气水界面效应模拟 [J], Naga Venkata Rakesh Nimmagadda;Lokeswara Rao Polisetty;Anantha Subramanian Vaidyanatha Iyer
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舶兴波状况的优劣，因此由图 3 可以看出，航速从 1 m/s 增加到 5 m/s 后，船后兴波最大高度从 1.37 m 变为 1.49 m，由此得出双体船周围兴波高度随着航 速的增加（相对于阻力的增加）增加不大，这证明了 小水线面双体船良好的兴波性能。
Abstract： This paper studies the resistance of small water plane multi-hull ships with FLUENT. Firstly，it compares the calculated viscous resistance of the SWATH with the resistance estimated by empirical formula. It shows that the results are in fair agreement. At the same time，the resistance characteristics of multi-hull ships are obtained from the comparison of the resistance and flow field distribution between SWATH，trimaran and tetramaran. Finally，the calculated resistance of the small water plane tetramaran is compared with experimental results from the literature. It is found that FLUENT is feasible to calculate the resistance of small water plane tetramaran，and the accuracy of the resistance of small water plane multi-hull ships calculated by FLUENT with relevant set-up is validated. Keywords： FLUENT；small water plane；multi-hull ship；resistance
ZHANG Yang1 CHEN Lin1 ZHANG Zhong-yu1 Yang Fan2 ZHENG Lui1
（1. College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China； 2. Shanghai Ship & Shipping Research Institute，Shanghai 200135，China）
表 2 FLUENT 计算值与经验公式比较
航速/（m/s） 雷诺数 Re Cvj
Cvr
相 对 误 差 /%
1
3.24E+06 3.81E+04 3.91E+04
2
5
1.62E+07 8.20E+05 7.37E+05
11
25
第 23 卷 第 5 期（总第 137 期） 2012 年 10 月
船舶 SHIP & BOAT
第 23 卷 第 5 期（总第 137 期） 2012 年 10 月
［研究与设计］
船舶 SHIP & BOAT
Vol.23 No.5 October，2012
基于 FLUENT 的多体船阻力研究
张 杨 1 陈 林 1 张忠宇 1 杨 帆 2 郑 律 1
（1. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院 哈尔滨 150001； 2. 上海船舶运输科学研究所 上海 200135）
［关键词］ FLUENT；小水线面；多体船；阻力 ［中图分类号］ U661.31+1 ； U674.951 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1001-9855（2012）05-0023-08
Research on resistance of multi-hull ships with FLUENT
满足式（5）、式（6）：
Rvs=
1 2
ρU2SsCfs（1+Ks）
（5）
Rhs=
1 2
ρU2ShCfh（1+Kh）
（6）
式 中 ：Sh 为 湿 表 面 积 ；Cf 为 对 应 的 相 当 平 板 摩 擦 阻
力系数，满足
Cf
=
0.075 （lgRe-2）2
；1+K 为形状因子。
下
面对其求解方法进行分析。
0引言
近几十年来，高性能船舶由于在耐波性、快速
性、经济性 等 方 面 的 优 越 性 ，获 得 了 巨 大 的 发 展 ［1］。 多体船作为高性能船的一个重要方向，进展也较快。 船舶阻力可以分为摩擦阻力、兴波阻力和粘压阻力， 其中又以摩擦阻力和兴波阻力为主。 一般采用相当
［收稿日期］ 2012-06-15； ［修回日期］ 2012-07-05 ［作者简介］ 张 杨（1988-），女，汉族，硕士，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。
其值为 0.001。 初始时刻水面为静水面，并使用入口
处 流 动 参 数 来 初 始 化 流 场 ［3］。
1.2 经验公式推导
为了验证 FLUENT 软件计算得到的结果，本文
将计算得到的粘性阻力系数和半理论、半经验方法
估算的粘性阻力系数进行比较。 在计算中，粘性阻
力系数 Cv 和雷诺数 Re 的计算如下［4］：
24
散项为中心差分格式， 采用 SIMPLE 法进行压力场
和速度场的耦合求解， 自由液面捕捉用 VOF 法，计
算过程使用多重网格法加快收敛速度。 计算域顶部
及远方边界为滑移壁面，船体表面为不可滑移壁面。
计算时为获得稳态流动计算结果，采用时间步进法。
从研究结果来看，时间步长对计算结果及收敛性有
一定的影响。 本文所采取的时间步长为无因次的，
（a） 航速为 1 m/s 船后兴波形状
（b） 航速为 5 m/s 船后兴波形状
图 3 FLUENT 计算的双体船船后兴波形状
表 2 为计算得到的粘性阻力系数和半理论、半 经验方法估算的粘性阻力系数比较，表中 Cvj 为经验 公式计算的 Cv，Cvr 为软件计算的 Cv。
从表 2 中可以看出两种计算方法的阻力系数比 较接近。 这从一定程度上说明了用 FLUENT 软件来 预报 SWATH 粘性阻力是可行的。 经验公式估算方
1 双体船的阻力性能研究
双体船的船型及水动力研究相对成熟，本文针 对 小 水 线 面 双 体 船 （SWATCH） 进 行 阻 力 计 算 ， 并 与 相关经验公式进行对比，以验证计算模型的合理性［2］。 1.1 计算模型的建立
本文的计算模型为 SWATH 数学船型。 其水下 片体由圆柱体平行中体、首尾两端各为半个椭圆球 体的主体，以及垂直水面方向的等截面柱体支柱组 成，如图 1 所示。
23
第 23 卷 第 5 期（总第 137 期） 2012 年 10 月
船舶 SHIP & BOAT
Vol.23 No.5 October，2012
平板理论等经验公式对摩擦阻力的估算即可达到精 度的要求，但兴波阻力的相关因素很多，且不同船型 的兴波阻力特性各不相同，不能通过简单的经验公 式获得其准确值。 另外，多体船水下各片体产生的 兴波相互影响，使得兴波阻力的预报更加困难。 因 此，基于 FLUENT 软件对不同船进行阻力预报是一 种重要方法。
压力出口位于 SWATH 船尾下游 3 倍船长处， 周向
无剪力固壁边界位于自 SWATH 中心线向外延伸 1
倍船长处。 由于 SWATH 片体之间的距离通常很大，
为了减少网格数量以便于简便计算，在计算其粘性
绕流时忽略片体之间的相互影响， 在 SWATH 中心
对称面采用对称边界条件 Symmetry。 采用 RNG k-ε 模型的湍流模式， 对流项使用 QUICK 格式离散，扩
因子：
1+Kh=1+1.5（D/Ls）1.5+7（D/Ls）3
（8）
式中：D为主体最大直径或相当 直 径 ，满 足D= 姨A0 /π （A0 是主体最大横剖面面积）。 1.3 计算结果分析
选取 1 m/s 和 5 m/s 两个速度进行计算，计算结
果如图 2 所示。
30
25 20
N 15
10
5 0
0
总阻力
Ls
B
D
La
LD
Lf
图 1 船型水下片体结构
图 1 中各特征尺度见表 1。
表 1 SWATH 数学船模特征尺度
单 位 ：m
Ls
B
La
Lp
Lf
D
2.1
0.1 0.575 2.1 0.575 0.3
支柱的半宽水线为抛物线，由式 1 表达：
2 2 y= B 2
1-
4x2 Ls2
（1）
速度入口位于 SWATH 首 部 上 游 1 倍 船 长 处 ，
形状因子表示水中结构的粘性阻力与相当平板
摩擦阻力之比，主要取决于物体的几何外形和雷诺
数。 因为 SWATH 的支柱与主体的形状比较规则，所
以采用经验公式来计算形状因子能够保证计算的精
度。可将双体船的支柱看成一个狭长的机翼来处理，
由于机翼尾端与水下部分主体相连接，使支柱周围
垂向水流流动受到约束，可将支柱等效为二维机翼，
2.2 计算结果分析 2.2.1 船体的阻力
选取 1 m/s 和 5 m/s 两个速度进行计算，计算结 果如图 6 所示。