基于CFD的船舶阻力性能綜合研究.pdf

1、計算流體力學(xué)(CFD)在船舶設(shè)計中的應(yīng)用發(fā)展迅速，它能夠提高船舶設(shè)計的效率和能力，是富有價值的研究方向與熱門課題，越來越多的學(xué)者從不同的角度對此展開進(jìn)一步研究。船體繞流是一種高度復(fù)雜的三維流動現(xiàn)象，船體周圍流場中近船體壁面的黏性流動已十分復(fù)雜，并且由于自由面的存在、船體自身受外力影響發(fā)生的運動，都大大增加了問題的復(fù)雜程度。因此在計入各項外界因素的影響下，對船體周圍流場內(nèi)流體流動的進(jìn)行準(zhǔn)確地數(shù)值模擬具有非常重要的意義。隨著計算機與信息處理

2、技術(shù)的發(fā)展、湍流模型的突破、非線性波浪數(shù)字模擬技術(shù)的發(fā)展以及動網(wǎng)格技術(shù)的運用，基于CFD的船舶阻力性能綜合型研究，已經(jīng)具有初步的可行性。
　　本論文在對國內(nèi)外學(xué)者對于船舶阻力計算預(yù)報的研究進(jìn)行了較為系統(tǒng)的回顧與總結(jié)的基礎(chǔ)上，基于商業(yè)CFD軟件并經(jīng)二次開發(fā)建立數(shù)值拖曳水池，可以對航行中的船舶周圍流場流體流動進(jìn)行了全面的數(shù)值模擬和阻力計算研究。通過數(shù)值拖曳水池中漁政船繞流模擬驗證了數(shù)值水池在船舶模型尺度阻力預(yù)報方面的能力，計算結(jié)果與實

3、驗數(shù)據(jù)比較表明數(shù)值水池中的船體繞流流場模擬計算結(jié)果合理的，能夠反映船體阻力變化。針對于模型尺度效應(yīng)引起的層-湍流轉(zhuǎn)換點位置不同和船體表面粗糙程度對阻力實驗結(jié)果的影響論文進(jìn)行了有益探討。船模實驗中由于模型與實船尺度不同，導(dǎo)致物理拖曳水池中模型船首需要加裝激流絲，CFD模擬計算驗證表明不需要另外考慮這一問題，另外CFD也很好地模擬了船體表面粗糙度增加對摩擦阻力的影響。
　　通過對數(shù)值拖曳水池中“船模阻力試驗”獲得的航行船體黏性阻力和興

4、波阻力等成分分析、與物理試驗的相應(yīng)阻力成分比較以及阻力預(yù)報的分析和討論，筆者將三因次船體阻力預(yù)報方法與CFD數(shù)值模擬手段進(jìn)行了有效地結(jié)合，提出了基于CFD數(shù)值模擬計算的一種快速預(yù)報實船阻力的新預(yù)報方法。即在模型尺度下船體黏性阻力采用湍流黏性理論模擬計算疊模模型獲得，并給出用于阻力預(yù)報的換算形狀因子1+k，在理想流體理論范疇下直接求解Euler方程以獲得船體的興波阻力，并基于三因次船體阻力預(yù)報方法綜合成為船體的總阻力。該方法合理地整合和利

5、用了CFD理論和計算手段，綜合考慮了自由表面的非線性、水的黏性以及船體復(fù)雜的三維曲面，可以捕捉到準(zhǔn)確的自由面形狀。無論是湍流黏性理論還是理想流體模型計算，其計算模擬時間都比較短，易于在普通PC機上實現(xiàn)。論文通過S60船型與KCS船型的理論計算與預(yù)報，以及和實驗結(jié)果比較研究，表明該方法計算速度快，經(jīng)濟性好，預(yù)報精度滿足工程需要，具有較強的工程實用性。
　　對于高速航行的船舶，由于船體航行姿態(tài)變化明顯，以該吃水下設(shè)計浮態(tài)為基準(zhǔn)的阻力計

6、算結(jié)果并不能準(zhǔn)確預(yù)報其實際航行阻力。論文針對高速行駛下船舶的興波問題，采用動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)了基于動力學(xué)平衡預(yù)報船體航行時姿態(tài)變化和阻力計算。在迭代過程中，CFD求解器通過實時計算每一時刻船體所受外力，對船體的下坐與縱傾運動進(jìn)行更新，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。為了改善整個計算過程的穩(wěn)定性與收斂性，本論文在船體運動響應(yīng)計算中采用松弛法，對船體運動進(jìn)行迭代修正。該方法在數(shù)值計算過程中經(jīng)過驗證，具有良好的收斂性與穩(wěn)定性。實踐證明，該方法適用的傅汝德數(shù)范圍

7、廣泛，即使是在高航速時下仍然能夠避免網(wǎng)格扭曲與計算發(fā)散等問題，證明其具有很好的實際工程價值。該方法充分考慮了船體姿態(tài)的影響，對高速船的興波阻力計算預(yù)報更為準(zhǔn)確。
　　作為一種幾年來備受關(guān)注的新船型，多體船的水動力性能獨具特色，某些研究方法不能直接擴展至多體船的水動力性能研究。本論文利用動網(wǎng)格技術(shù)對某多體船進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對考慮船體姿態(tài)變化的自由模型與不考慮姿態(tài)變化的約束模型的壓力、波形等方面的對比，探討了多體船船體姿態(tài)對船體水動