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计算流体力学在船舶线型优化中的应用

作者：虞波

来源：《中国科技博览》2016年第17期

[摘 要]在本文中，将以某船舶计算流体力学为例，在对传统实验流体力学试验计算结果基础上对改型以及船原型性能间的差异，并对CFD在船型优化中的优势进行一定分析。 [关键词]流体力学；船舶线型优化；应用；

中图分类号：U661.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0332-01 1 引言

在我国船舶计算流体力学以及计算机技术不断发展的情况，通过数值理论方式对船舶性能进行分析已经成为了重要、且较为新型的研究手段。对于计算流体力学来说，其是一门集计算数学、船舶流体力学以及计算机科学于一体的学科，在现今船舶操纵性能、阻力性能以及推进性能积极研究的环境下，成为了对船舶性能进行研究、预报的重要工具。作为一种对船型优化的新手段，其目前在我国内外得到了较多的应用，已经具有了较为成熟的开发特点，且已经形成了较多的软件类型，应用在船舶升沉、流场以及船舶阻力计算当中。虽然CFD理论方式在定量精度方面还存在着一定的不足，但依然能够为我们带来重要的提示，为我们线型阻力性能的评价以及比较具有重要的帮助。 2 计算软件简介

对于RAPID软件来说，其是上海船舶运输科学研究所从荷兰引进的CFD软件，对于该软件来说，其对非线性势流问题进行了较好的解决，即通过一系列线性问题的应用对非线性、完全稳定的问题解决方案进行得出。在每一次迭代当中，问题都能够在同距自由液面一定距离位置通过等源网格方式的应用进行解决，并以同DAWSON较为类似的方式对自由液面条件进行处理，能够对船体周围稳定的波系、兴波阻力以及非粘性流进行计算。同时，其也通过基于raised-panel方式的迭代应用对非线性的势流问题进行解决。通过该软件的应用，能够有效对兴波阻力以及波浪的形成情况进行减小。在计算结构当中，其以可视化的方式对船体表面压力场分布、流线方向、船波系特性以及速度场分布等进行了显示，且在压力分布当中也对粘性流改善方向进行了指出。通过计算获得的升沉、兴波阻力、波系等数据的应用，设计人员则能够更好的对其设计方案进行评估以及改进，对减少船舶阻力线型的改进方向进行判断。可以说，通过改进方案RAPID结果的研究与分析，则能够对改型方案的减阻效果进行验证，在能够对多个线性方案设计计算进行优化的基础上同传统模型方式相比能够有效实现研究周期以及研究成本的降低。

3 船型参数与线型比较

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在本文中，以一艘典型的大型船进行研究。在上图中，实线标识的是圆型横剖曲线，联系RAPID计算结果可以了解到，对于该船来说，其在17站附近位置存在一个较为明显的波谷，对此，即对19站之前的横剖面积进行增加，并同时减小16、17、18站的横剖面积，在使整个肩部水线具有较为缓和特征的基础上对兴波阻力起到了积极的改善作用。同时，由于RAPID对势流理论进行了应用，即不能够对目标的尾性以及粘性进行计算，而在对以往经验进行联系的基础上，也对船体的尾部进行了一定的改动，即在将原有船尾削瘦之后对更为V型的线型进行运用。

4 原型同改型计算结果比较 4.1 CFD计算结果

在该环节中，我们对两个不同的船型进行了RAPID计算，并对压力场以及波形方面进行了比较。在经过波形以及压力场分布情况研究可以得到以下变化：第一，在完成改型之后，船侧波形同原型相比具有了较为明显的改善；第二，在球艏部，在改型完成之后，其在压力梯度方面具有了较为缓和的特征，低压区范围相较以往具有了缩小，且船尾压力过渡方面也具有了较为缓和的特征。而为了能够以更为形象的方式对波浪幅值进行描述，我们也在船侧位置对纵切波图进行了形成，沿船侧改型之后，波形幅值同之前相比具有了一定的改善，在完成改型之后，船体兴波阻力同以往相比较小。 4.2 EFD计算结果

为了能够对CFD的分析结果进行验证，我们分别对船体的原型以及改型方案进行了模型试验。从试验结果中可以了解到，在完成改型之后，其结果同原型相比具有了一定的提升，模型试验有效功率以及剩余阻力系数的比较情况如下表所示： 4.3 不同方法比较

从CFD计算获得结果可以了解到，同原线型相比，船舶在17以及18站位置的压力分布情况得到了较多的改善，不仅首尾波形具有了较好的改善效果，且船在兴波阻力方面同之前相比也具有了明显的减小。经过模型试验结果可以发现，在傅氏数0.134-0.204之间，船舶剩余阻力都具有了较为明显的减小，而在傅氏数增加的情况下，船舶阻力降低的百分比也将随之增加，根据模型试验结果可以发现，能够对CFD计算结果进行验证，即能够对优化的目标进行形成。 5 结束语

在上文中，我们通过CFD计算方式的应用对原型以及改型两个不同的方案进行了分析以及计算，通过对船波系特性、速度场分布以及表面压力场分布情况的计算，则能够在对线性优化改善方向进行定性的基础上设计出具有较好阻力性能的线型优化方案。同时，也对线型优化前后的模型试验进行了比较，经过比较可以了解到，同原型相比，在完成改型之后，传播总阻

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力以及剩余阻力系数都具有了较大的减少，同CFD计算结果一致，并因此对CFD在定性上的准确性进行了验证。同时，在目前模型试验当中，如果直接对模型的兴波阻力进行测量，则将具有较为困难的情况，对此，其还不能够对CFD方式计算获得的数值给出具体评价，需要在未来研究当中不断优化提升。 参考文献

[1] 张本辉，王骁，蔡烽，石爱国，杨波，薛亚东.计及航速影响的畸形波数值模拟[J].中国航海.2016（02）：44-45.

[2] 蔡荣泉，冯学梅.漫谈舰船计算流体力学（CFD）实用化[J].船舶.2012（02）：111-112.