基于STAR-CCM+对5415船模的阻力预报

魏可可，高霄鹏

(海军工程大学 舰船工程系,武汉　430033)



【基础理论与应用研究】

基于STAR-CCM+对5415船模的阻力预报

魏可可，高霄鹏

(海军工程大学 舰船工程系,武汉430033)

以5415船模为研究对象，介绍了STAR-CCM+对5415船模的数值仿真过程，对该船模的阻力、升沉及横倾角进行了数值计算，并与现有的试验值进行对比，验证了STAR-CCM+对该船型在静水运动中数值模拟的有效性；研究表明：总阻力系数、剩余阻力系数都是随Fr增大而增大，当Fr<0.35时，增长缓慢，当Fr>0.35时，增长迅速；同时在Fr=0.35时，横倾角发生了显著的变化，Fr=0.35是该船模静水阻力性能发生变化的分界点。

5415标模；深沉；STAR-CCM+；Fr本文引用格式：魏可可，高霄鹏.基于STAR-CCM+对5415船模的阻力预报[J].兵器装备工程学报，2016(9):157-161.

船舶的快速性是船舶诸性能(如浮性、稳性、抗沉性、快速性、耐波性、操纵性等)的重要性能，快速性的优劣，对民用船舶来说将影响船舶的使用性和经济性。对于军用舰艇而言更为重要，因为快速性与提高舰艇的作战性能密切相关，因此，几乎每一艘船舶，在设计任务书中就给定明确的快速性指标，当船舶建成时，测定是否达到规定的快速性指标是船舶试航的一个重要内容[1]。船舶的阻力预报是研究船舶快速性的一个重要指标，阻力性能良好的船舶可以提高运输效率，节约能源，也直接关系到船舶的经济性能。船舶阻力性能评估是船型优化的重要依据。

STAR-CCM+是一款新型CFD模拟软件，本文采用STAR-CCM+对5415船模的阻力进行数值模拟。

1　控制方程

STAR-CCM+数值计算所采用控制方程的是质量守恒方程、动量守恒方程。

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

控制方程的通用形式：

(3)

式(3)中，φ为通用变量，可以代表u、v、w、等的求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

所有的控制方程都可以经过适当的数学处理后化为标准形式，然后将方程右端各项集中一起定义为源项，化为通用的微分方程，求出其数值解，对于不同的φ，只要重复调用程序，并给出Γ和S的适当表达式以及适当的初始条件和边界条件，便可求解。

2　计算模型及仿真过程

2.1船体模型

本文的船体模型采用5415船模，模型的主尺度如表1所示，模型的三维图如图1所示。

表1　5415模型主尺度

图1　5415船模型

2.2计算域及网格的划分

STAR-CCM+是款一体化的处理软件，在同一界面既能对模型进行网格的划分，又能对生成好的网格模型进行后处理。首先选取网格模型，对于船体一般选取剪切型非结构化网格，图1中阴影密集部分为加密区域，所生成的计算域及船体网格如图2和图3所示。

其中计算域36m×27m×18m。

图2　计算域

图3　船体网格

2.3网格密度的选取

为了分析不同网格密度对计算结果的影响，以航速V=2.196m/s为例，对4种不同网格密度计算域下的船体阻力值进行计算，并将阻力按式(4)进行无量纲化，然后将无量纲化的阻力进行相互对比。固定边界层的总厚度为0.02m，通过改变层数来改变网格到船体表面的距离，进而影响着网格密度，具体网格和计算的无量纲化阻力值如表2所示。

(4)

式(4)中，[Rw]为有量纲的阻力值，π1为无量纲的阻力值，ρ为水的密度，L船模的长度，V为航速。

表2　不同网格数量下的水动力比较

由表2可知，随着边界层层数的增加，计算所得水动力趋于稳定。当边界层层数为8时，已在稳定范围内，因此，本文采用边界层数为8的网格密度的计算域进行计算。

2.4选择与设置物理模型

设置并激活数个物理模型以模拟作用于船上的力。此模拟通过使用VOF波模型，对同一连续体内的两种流体(空气和水)进行建模，这是STAR-CCM+较传统的CFD软件的一大特色，STAR-CCM+对于运动问题尤其是船舶在波浪运动中问题的解决显得尤为简便。存在不同的两相流体，选取欧拉多相流；使用重力模型将两种流体及船受到的重力作用考虑其中。

2.5设置初始条件及边界条件

使用与先前定义好的VOF波的相关场函数设置初始条件，初始条件包括自由表面波的分布、相内的速度分布以及流体静压等。根据已经选取的边界类型来设置与各类型相对应的边界条件。其边界条件设置如图4所示。

图4　边界条件的设置

2.6设置DFBI运动和6自由度体

在DFBI中可对船体的质量、重心、惯量等主尺度参数进行设置，通过结合VOF波的设置，可以对船舶的不同状态进行设置；6自由度体的设置包括X轴平移与旋转、Y轴平移与旋转、Z轴平移与旋转，本文选取释放Z轴的垂向运动以及绕Y轴的旋转运动，如图5所示。

图5　三自由度模型

2.7监测结果显示

从以上的图6到图8可以实时考察该船的数值运动模拟情况，从图6可以实时观察船体自由液面的变化情况，即可以研究船舶的在自由液面的深沉变化情况；从图7可以了解船体周围兴波的变化情况。从图8可以实时监测船舶阻力值随时间的变化情况，当曲线最终趋于平稳时，就是所需的阻力值。

图6　自由液面模拟云图

图7　船体周围兴波模拟云图

图8　阻力的时历曲线

3　试验的验证

为了便于与现有的试验数据比较，采取了V=0.749m/s、1.124m/s、1.501m/s、1.873m/s、2.245m/s、2.621m/s、2.996m/s等7个不同的静水速度，其对应的Fr分别为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4。每个速度下监测其静水的阻力值，并将阻力值按式(4)进行无量纲化，将无量纲化阻力值与现有的试验数据进行对比。结果如图9所示。

图9　无量纲试验值与仿真值的比较

从图9中可以看出无量纲化的仿真值与试验结果的变化规律基本一致，二者数值的峰值差距约为8%，说明采用本方法进行数值仿真计算具有可行性。

4　仿真结果的分析

本文采取了V=0.749m/s、1.124m/s、1.501m/s、1.873m/s、2.245m/s、2.621m/s、2.996m/s、3.371m/s的8个不同的静水速度，其对应的Fr分别为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45。在每个速度下分别监测总阻力、摩擦阻力、剩余阻力、升沉值、横倾角，然后将阻力按照式(6)换算为阻力系数。

4.1不同速度下总阻力系数、摩擦阻力系数及剩余阻力系数的变化情况

STAR-CCM+相比于常规的CFD软件对船舶的数值模拟的优点在于对运动模拟容易且方便，当网格达到一定精度和数量时，对于阻力值的模拟可以达到很高的精度。STAR-CCM+可以直接数值计算出船舶的总阻力、摩擦阻力、剩余阻力。

由傅汝德阻力分类可知，可以将船舶所受到的总阻力Rt分为摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr，即：

(5)

总阻力系数、摩擦阻力系数及剩余阻力系数计算可作如下所示：

其中:ρ为密度;v为航速;S为湿表面积;ΔCf为粗糙度补贴系数。将数值计算所得的总阻力Rt、摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr按以上公式化为其相应的阻力系数。不同的傅汝德数下总阻力系数、摩擦阻力系数及剩余阻力系数如图10所示。

图10　不同阻力系数的比较

由图10可知，总阻力系数随着Fr增大也不断增大；但摩擦阻力系数随着Fr增大不断变小；剩余阻力系数随着Fr增大也不断增大。对于总阻力系数和剩余阻力系数，当Fr<0.35时，增长是缓慢的；当Fr>0.35时，增长是迅速的。由此说明航速对阻力影响很大。

4.2不同速度下的横倾角及升沉值的变化

由图11、图12可知：随着Fr的增大，横倾由正变为负，即船体开始由左舷倾斜到最后变为向右舷倾斜，且在Fr=0.35时，发生显著变化。随着Fr的增大，升沉值越来越大，说明随着Fr的增大，船体的纵向运动幅度不断增大。由此可见，速度的突然增大使该船舶姿态有显著变化。

图11　横倾角的变化

图12　深沉值的变化

4.3不同航速下船体的兴波情况

由图13可知：当傅汝德数Fr=0.1即航速很低时，船体左右两侧的兴波很小且对称性很好，随着航速的增大，船体两侧的兴波越来越大，背流面散出的波形距离船体越来越远，同时船后的兴波也越来越大；同时随着航速的增大，船艏部分背流面低气压越来越显著，同样迎流面的高气压也在显著增加，压力使得波高也在增加。

图13不同航速下船体周围的兴波

5　结论

1) 本文介绍了新型CFD软件STAR-CCM+对5415船模的阻力预报的数值仿真过程，并通过仿真值与试验值对比，验证了STAR-CCM+对5415船模阻力预报的可行性，可对船舶数值仿真提供参考。

2) 本文通过运用STAR-CCM+对某5415船模的静水中阻力、升沉、横倾等进行了数值计算研究，得出了该船静水阻力的一般规律：Fr=0.35是总阻力系数、剩余阻力系数及横倾角变化的分界点； 随着航速的增大，背流面散出的波形距离船体越来越远，船体周围的兴波越来越大。以上规律可为研究船舶静水阻力提供借鉴和参考。

[1]盛振邦，刘应中.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社,2003.

[2]黄鼎良，王新平.小水线面双体船理论预报[J].大连工学院学报,1986,25(4).

[3]郭春雨，刘桂杰，周广利，等.艾亚法与兰泼勒法权重修正的船舶阻力预报[J].船海工程,2014,43(4).

[4]SOUTOIGLESIASA,ZAMORA-RODRR.AnalysisoftheWaveSystemofaCatamaranforCFDValidation[J].ExperimentsinFluids,2007,42(2):321-332.

[5]DENGRui,HUANGDebo.DiscussionofGridGenerationforCatamaranResistanceCalculation[J].JournalofMarineScienceandApplication,2010,9(2):187-191.

[6]ALBANL.JeroenWackers.NumericalStrategiestoSpeedupCFDComputationswithFreeSurface—ApplicationtotheDynamicEquilibriumofHulls[J].OceanEngineering,2011,38(17):2070-2076.

[7]陈晓娜，易宏，张裕芳.小水线面双体船兴波阻力数值仿真研究[J].船海工程，2007，36(5)：57-62.

[8]朱芳艳.参数化船型的阻力计算[J].船海工程，2013，42(2)：100-103.

[9]邱静，王国志，李玉辉.基于STAR-CCM+的简单流体模型CFD研究[J].液压气动与密封，2010(10)：17-22.

(责任编辑唐定国)

ResistancePredictionof5415ShipModelBasedonSTAR-CCM+

WEIKe-ke,GAOXiao-peng

(DepartmentofNavalArchitecture，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033,China)

Basedonthe5415shipmodelastheresearchobject,thispaperintroducedthenumericalsimulationprocessaccordingto5415shipmodelbySTAR-CCM+,whichsimulatedtheresistance,heaveandheelingabouttheshipmodel,andcomparedwithexistinggiventestvalue,weverifiedtheSTAR-CCM+ontheboatinstillwatermovementthevalidityofthenumericalsimulation.ResearchshowsthatthetotalresistancecoefficientandresidualresistancecoefficientincreasewiththeFrincrease,andthegrowthisslowwhenFr<0.35,andthegrowthisrapidwhenFr>0.35;thetransverseinclinationhaschangedsignificantlywhenFr=0.35.SoFr=0.35isthedividingpointofresistanceperformanceoftheshipmodelchange.

5415standardmodel；sinkage；STAR-CCM+；Fr

2016-03-18；

2016-04-20

魏可可(1992—)，男，硕士，主要从事船舶流体力学研究。

10.11809/scbgxb2016.09.036

format:WEIKe-ke,GAOXiao-peng.ResistancePredictionof5415ShipModelBasedonSTAR-CCM+[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):157-161.

TH11

A

2096-2304(2016)09-0157-05