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

谢义波

江龙船艇科技股份有限公司  广东省  528462 

摘要：为了预先估算船舶行驶过程中的阻力影响，以便于设计者在初始设计阶段就能改良船体结构，以实现高效能的船体形态。我们依托UG技术构建了一套精细的船体与水流交互的几何模拟框架，通过先进的软件技术对其进行了细致的离散化处理，从而获取到适用于高精度流体力学模拟的网格系统。我们将船首前端区域的网格设定为输入边界的设定，尾部和侧边的网格则作为输出边界的设定，而船体的对称面网格则被设为对称约束，以此构造出一个精准的有限元素计算模型，确保了模拟结果的准确性。

关键词：CFD；船舶船体；总阻力；预报方法；

引言

船舶性能中的关键特性之一就是阻力，它在船舶工程学和学术界内始终占据核心研究地位。尽管模型试验在预测船舶阻力方面发挥着核心作用，被广泛应用在重大设计阶段以评估性能，但这种方法并非无懈可击。模型试验通常在理想化的简化环境中进行，这使得它们难以反映现实中多变且复杂的海洋条件。此外，模型与实物船体之间的尺寸差距显著，导致两者在物理行为上存在差异，即所谓的尺度效应问题。船体阻力的理论探索历史悠久，然而，自由表面的非线性特性、水的粘性以及船体作为复杂三维曲面的表面特性，这些因素共同构成了一道难题，使得精确的理论求解变得极其挑战。因此，尽管模型试验在船舶阻力预测中占据重要位置，但寻求更为精确和适用的方法仍然是一个持续的研究目标。

1.船舶阻力研究的重要性

船舶的快速性是船舶在诸多性能中的重要指标之一，其他性能包括浮性、稳性、抗沉性、耐波性和操纵性等。快速性的优劣直接影响着民用船舶的使用效果和经济性，对军用舰艇而言，快速性则与舰艇的战斗力和生存能力密切相关。

船舶快速性涵盖了船舶阻力和船舶推进两个方面，因此研究船舶航行中的阻力问题对于改善船舶的快速性具有重要意义。多年来，关于船舶阻力的研究手段和方法不断增加，内容也越来越深入，准确性也有所提高，对船舶设计和建造的贡献日益突出。合理的船型设计可以显著降低阻力，提高航速，并带来成本节约。然而，由于实际船舶形状的复杂性，导致其周围流动情况也异常复杂，不是简单的层流或紊流。根据边界层理论，船体周围的流动状态取决于雷诺数。在船体前部，由于局部雷诺数较小，流动呈现层流状态。随着局部雷诺数的增大，层流逐渐转变为过渡流，直至最终完全紊流状态。当船体的雷诺数较大时，紊流阻力占据主导地位，而前部的层流和过渡流对整个船体的阻力影响较小。相反，当雷诺数较小时，前部的尾流和过渡流占据主要比例，对整体船体的平均阻力产生明显影响。

在当今，数值模拟技术迅速发展，但在现有技术条件下，船舶阻力的数值模拟仍无法完全替代水池试验。船模试验通常将实际船舶按比例缩小，由于实船和船模之间存在尺度差异，傅汝德数和雷诺数往往不一致。实际上，单一的雷诺数相等也是不可能的，因此只能保持傅汝德数相等进行试验。为了模拟湍流效果，在船模试验中常会在模型的某个位置加入激流丝，以产生湍流。而在数值模拟中，要达到增加阻力的效果，唯一的方法就是改变局部粗糙度，使其变得不光滑，从而增加阻力。相比之下，在数值模拟中可以采用实际尺度进行模拟，而不受水池尺寸限制。无论是理论分析、船模试验还是数值模拟，所有的工作都是为了更好地推动造船业发展，为实际船舶服务。在这种情况下，如何在合理的理论条件下更好地分析数值模拟和船模试验的结果，成为船舶流体力学研究人员迫切需要解决的问题。船舶在水中航行时所受各种阻力的成因及性质，以及随航速、船型和外界条件变化的规律，研究减小阻力的方法，寻求设计低阻力的优良船型，都需要准确估算船舶阻力作为决定主机功率和设计推进器（螺旋桨）的依据。

2.船舶阻力

当船只穿越水面时，其结构在水与空气的双重介质中移动，导致它面临来自这两者方向相反的阻力挑战。总的阻力可以细分为水动力和气动阻力两个维度。气动阻力对应的是船体上部在空气中遇到的抗衡力，而水动力则起源于船体下部在水下的反应力。更具体地说，水动力又可拆分为静水航行时的静阻力和波涛涌动中的汹涌阻力。静阻力又包括了基本船体（即无附件船体）的阻力和由额外附件如舭龙骨、舵叶或轴支撑等附加组件带来的附着阻力。本研究专注于静水中航行时，船体下部基本船体所遭遇的阻力，为此我们简化为“船体阻力”这一术语。在静止水环境中，船体附近的流场虽然复杂，但大致可以归结为以下三种关键动态现象：

初始阶段，船体在水中的动态引发了水的动态变化，进而催生了波动效应。波动的出现导致船体表面压力呈现出非均匀分布的特点。船首的波动峰值引发压力显著上升，而船尾的低谷区域压力则相对下降。这种首尾压力梯度所引起的阻力，我们称之为波动阻力，它是船体运动中能量消耗的一个关键因素。其次，船体在水中滑行时，水的粘滞性会在船体边缘形成一个隐形的“摩擦带”。这个摩擦带在船体移动中施加了切向的摩擦阻力，就像水对船体表面的无声摩擦。此外，当船体形状发生明显弯曲时，水的粘性效应会诱发局部的涡流现象。这些涡流区域的压力显著降低，从而影响船体表面的压力分布，形成一种额外的阻力，称为涡动阻力。涡动阻力实质上是涡流所消耗的能量转换而来的一部分阻力。因此，理解涡流对于评估船舶航行效率至关重要。

3.基于CFD 计算的船体总阻力预报方法

CFD作为一种新兴的计算技术，在船舶性能评估中占据了重要地位，并展现出巨大的发展潜力。然而，当前利用CFD直接预测全尺寸船舶阻力仍面临挑战：实际尺寸船舶的流动模拟需要庞大的计算网格，这超出了普通工作站的能力范围；尽管在缩比模型下，运用紊流粘性模型能得出与实验数据高度一致的结果，但这种方法的计算时间较长；另一方面，基于理想流体假设的计算虽简化了黏性效应，计算速度快，能精确捕捉自由表面形态，但其对总阻力的预测不够精确。尽管各种基于船模阻力试验的预测方法在理论上相似，但全球各地的船模试验设施在实施细节和结果上存在差异，即使是相同的标准船模，在不同的试验水槽中也会得到不同的形状系数。本文提出了一种基于CFD的船体阻力预报的工程换算方法，利用各种船舶性能的理论计算方法相互协作，以完善或替代传统的船模实验。具体来说，该方法包括以下几个步骤：

首先，使用CFD方法对叠模船体的绕流场进行模拟计算，以获取船体的形状因子。与传统的模型试验相比，CFD的算模拟中不受自由面的影响，因此可以排除模型船体航速增大引起的兴波阻力成分对测量结果的影响。

其次，基于理想流体理论，直接求解Euler方程模拟计算船体的绕流场，进而得到船体的兴波阻力。与计算模拟相比，模型试验存在尺度效应，无法考虑非线性兴波阻力成分和波浪破碎等影响因素。相较之下，计算模拟时间较短且能够准确捕捉自由面形状。

最后，在计算预报中，同样可以采用模型试验的船体阻力三因次换算方法中的相关补贴系数（如粗糙度补贴系数）。这一部分可以直接使用与模型试验相同的方法进行计算预报。

4.结束语

目前，使用计算流体力学（CFD）理论进行船舶阻力计算可以得到相对准确的阻力值。然而，这种方法主要适用于模型尺度下的船舶，而对于实际尺度的船舶阻力计算仍然存在困难。此外，使用CFD进行阻力计算的时间也无法满足船舶设计工作者的要求。

参考文献

[1]贺俊松，张凤香，陈震，等．五体船型的阻力性能试验［J］．上海交通大学学报，2020，41(9):1449－1453．

[2]李志恒，叶恒奎．基于CFD的高速方尾船粘性阻力预报［J］．舰船科学技术，2021，33(3):19－21，26．