基于STAR-CCM+的滑行艇阻力研究

孙志远 邹 劲 谈果戈 张元刚

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院 哈尔滨150001）

基于STAR-CCM+的滑行艇阻力研究

孙志远 邹 劲 谈果戈 张元刚

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院 哈尔滨150001）

为研究滑行艇的航行阻力问题，首先建立滑行艇的几何模型，然后基于STAR-CCM+软件对其运动进行数值模拟。获得滑行艇航行时阻力随航速的变化规律，并将数值计算结果与试验值进行比较，得到的计算结果与试验值数据基本吻合。证明了在STAR-CCM+中能够有效模拟滑行艇运动的阻力性能，该方法对于文中的实例具有较高的准确性，可为滑行艇阻力的预报提供参考。

滑行艇；数值模拟；阻力；STAR-CCM+软件

引 言

滑行艇是依靠航行时艇体产生的流体动压力支托大部分艇体质量的高速艇，因快速性、操纵性等优良的水动力性能得到广泛应用，对于其船型的研究也成为国内外学者重点研究的领域［1］。然而，对滑行艇水动力性能的研究较困难，通常是通过船模试验和理论近似公式估算来完成；但对于船舶的水动力性能，目前主要还是依靠船模试验得到的数据来进行研究。船模试验按照相似理论以一定的缩尺比制作船模，然后在试验水池模拟实船的运动。船模试验是预报船舶阻力较为准确的方法，但是船模试验往往受到模型尺寸、流场扰动和测量精度等限制，有时候很难通过试验方法得到准确结果［2］。近年来流行的CFD数值模拟技术可以有效估算船舶的水动力性能，Alban Leroyer等［3］运用CFD软件，采用基于VOF 波和基于多相流的RANS求解器研究了某高速船自由液面的变化情况；倪崇本等利用动网格对高速船和INSEAN2340标模的阻力进行计算［4-5］，获得较好的模拟效果。本文基于STAR-CCM+的软件平台对不同傅汝德数下的滑行艇开展数值计算，通过对比试验值，证实CFD 方法在解决高速滑行艇的表面水动力计算问题上具有一定的可靠性，从而使自由船模拖曳的模拟成为可能。

1 船型参数与数值方法

1.1 船型简介

本文研究的滑行艇船体形状如图1所示，滑行艇船模具体参数见表1。

表1 模型参数

1.2 CFD数值计算方法

从N-S方程（Navier-Stokes）方程出发对滑行艇的粘性流场进行模拟，采用RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程方法求解N-S方程，

其连续性方程和动量方程如下［6］：

式中：ui、uj为速度分量时，均值（i、j = 1，2，3）；P 为压力时均值；ρ为流体密度；μ 为动力粘性系数；ρuiuj为雷诺应力项，上划线表示对物理量取时间平均。选用SST湍流模型封闭RANS方程，k的输运方程为：

ω的输运方程为：

式中：Gk和Gω代表平均速度梯度所引起的湍流动能；Yk和Yω则表示关于k和ω的湍流耗散项。自由液面处，对自由表面的捕捉使用目前最为广泛的VOF［7］模型。

1.3 计算方案

计算域的建立：

考虑到船舶的直航运动以及船体严格的对称性，为减小计算量又不影响精度，只对半船模型进行数值模拟。为保证计算域中进、出口处流动均为定常状态，距船首前1.5倍船长处设置为入口，距船尾后3.5倍船长处设置为出口。同时，将计算域分为内域与外域，船体周围设置船体加密内域，其余部分属于外域，如图2所示。

流场控制域的范围，边界条件设置如下：入口为来流的速度；出口压力分布为指定静压；对称面为对称边界条件；船体表面设置为不可滑移壁面；其他壁面设置为滑移壁面。

1.4 网格划分

网格划分是 CFD 模拟过程中较为耗时的环节，也是直接影响模拟精度和效率的关键因素之一。高质量的网格是实现数值模拟成功的首要条件。过疏或过密的网格都会极大地影响计算结果［8］。体网格形式使用切割体网格，对自由液面、艇体周围的体网格进行局部加密设置，网格划分情况见图3。经观察，船体表面网格对船体形状的捕捉良好。最终，包含半个船体的计算域网格总数为86万个。

2 数值计算结果与船模试验对比分析

滑行艇随着航速的提高，船舶的航态会因流动支持力的比重不同而发生变化。滑行艇的吃水和水线长度随航速的变化而改变，通常用和船舶重量相关的容积傅汝德数表示船的相对速度。

式中：V为滑行艇航速，m/s；g为重力加速度，9.81 m/s2；为静止时排水体积，m3。

2.1 船模阻力试验

滑行艇的模型实验采用拖曳法测试，并记录了船模阻力、垂荡和纵倾角等参数。图4为在试验中Fn = 4.06时的滑行艇运动情况。

2.2 数值计算结果分析

本文基于上述数值算法和网格划分方法，分别在9个傅汝德数下，对滑行艇的阻力、垂荡以及纵倾角等数据进行数值模拟与模型试验结果进行对比分析，阻力计算结果见表2。

表2 计算结果与试验结果对比N

在STAR-CCM+平台上，通过对不同傅汝德数状态下的滑行艇直航运动进行数值模拟，把数值模拟的结果和试验值绘制成图，如下页图5—图7所示。

由图5和图6可以看出，数值计算对于滑行艇纵倾角和垂荡的模拟和试验值较为接近，趋势比较一致，精度较高。由图7可以看出，数值模拟计算的阻力值与试验值整体吻合较好且趋势相同，随着体积傅汝德数的增加，阻力计算值与试验值误差逐渐增大，但是阻力计算值在高速下的误差也仅为13.81%，能够满足工程的需要。因此认为应用STAR-CCM+软件对滑行艇进行阻力预报是可行的，有一定的准确性。

本文应用STAR-CCM+软件对于滑行艇在静水中航行时的流场情况进行数值模拟，取FnΔ= 4.06时的船舶流场进行分析，数值模拟的船底压力分布和自由表面波形分别如图8和图9所示。

数值模拟结果和试验的现象比较吻合。对于高傅汝德数下船底动压力，自由表面的兴波能够捕捉准确，能够清晰地呈现滑行艇产生的飞溅和激尾流。

3 结 论

本文利用数值手段对滑行艇模型的水动力特性进行研究，数值方法可以较好地实现滑行艇运动模拟，不同傅汝德数下的垂荡、纵倾和阻力值具有明显的变化趋势，且与试验值趋势相同，误差在工程应用标准的范围内，总体上基本满足工程需要。然而，当傅汝德数值较高时，数值模拟的阻力计算值与试验值相比偏低，在后续研究中有必要对影响滑行艇数值模拟的一些因素作进一步分析。

［1］韩翔希，赵成璧，唐友宏，等.高速船航态模拟与阻力预报CFD方法应用［J］. 科学技术与工程， 2013（13）： 176-6183.

［2］王福军.计算流体动力学分析［M］. 北京：清华大学出版社， 2004.

［3］Leroyer A，Wackers J．Queutey P，et al. Numerical strategies to speed up CFD computations with free surface—application to the dynamic equilibrium of hulls［J］．Ocean Engineering，2011（17-18） ： 2070- 2076．

［4］倪崇本，朱仁传，缪国平，等. 计及航行姿态变化的高速多体船阻力［J］.水动力学研究与进展，2011（1）：101-107.

［5］YAO Chao bang，DONG Wen cai.Method to calculate resistance of high-speed displacement ship taking the effect of dynamics sinkage and trim and fluid viscosity into account［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University（Science），2012（4）：421-426.

［6］约翰D安德森［美］．计算流体力学基础及其应用［M］．吴颂平，刘赵淼，译．北京：机械工业出版社，2007.

［7］Hirt C W，Nichols B D.Volume of fluid （VOF） method for the dynamics of free boundaries ［J］.Journal of Computional Physics . 1981，39（1），201-225.

［8］Su Yu-min，Chen Qing-tong， Shen Hai-long，et al. Numerical simulation of a planing vessel at high speed［J］. Journal of Marine Science and Application. 2012（11）：178-183.

海洋工程总装研发设计国家工程实验室正式成立

4月25日，海洋工程总装研发设计国家工程实验室在上海成立并召开了第一届理事会第一次会议。中船集团党组成员、副总经理孙伟出席并致辞，来自上海市发改委、上海市科技党委、中船集团科技部以及相关科研院所、企业、高校、船级社等近20余家单位代表共同见证了这一时刻。该实验室由中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）联合中国国际海运集装箱（集团）股份有限公司、上海外高桥造船有限公司、上海船厂船舶有限公司、沪东中华造船（集团）有限公司、中船黄埔文冲船舶有限公司、广船国际有限公司、上海船舶工艺研究所、上海交通大学、哈尔滨工程大学、中国船级社、四川宏华石油设备有限公司、上海利策科技股份有限公司等共12家单位共同申报，于2016年6月获得国家发展和改革委员会正式批复，集合了我国海洋工程行业内从基础研究、研发设计、系统集成到总装建设的各优势单位，是集全行业之力打造的国家级高水平海洋工程总装研发设计创新平台。

该实验室成立后，将针对我国海洋工程装备前期设计核心技术短板、总装建造技术不强等问题，面向深海资源开发、极地资源开发、矿产资源开发和深水海洋保障等四大领域的迫切需求，围绕海洋工程装备总体技术领域和前瞻性技术发展趋势，突破装备的总体研发设计技术、试验验证技术、系统集成技术和并行协同设计技术等十大共性关键技术，建设海洋工程研发设计与总装建造示范平台，支撑开展新一代钻井平台、深水半潜式生产平台、极地钻井船、大洋钻探船和超大型半潜船等十大装备技术、工艺和装备的研发、系统集成和工程化，培养一批高水平海工装备的工程技术创新人才，促进重大科技成果应用，逐步完善海工装备设计技术体系和产业体系，全面形成深海、极地油气开采装备、矿产开采装备、海上保障装备的自主设计能力，为做大做强海工装备制造业提供全方位的技术支撑。

海工装备是新兴产业和高端制造业的重要组成部分。近年来，我国海工装备技术和产业领域取得了长足的进步和发展，“海洋石油981”半潜式钻井平台、GM D90型半潜平台、“海洋石油117”FPSO、“海洋石油720”十二缆物探船、Tiger型钻井船、液化天然气船、“新光华”号半潜船、1.4万千瓦海洋救助船等一批重点海工装备都是工程实验室组成单位通力合作的成功典范，也是践行上海市科创中心建设的重要载体，对推动我国海工装备产业的发展具有重要意义。

在实验室成立之前，相继召开了第一届理事会第一次会议，成立技术委员会，组建五个分实验室并制定未来三年的发展规划。理事会会议推举MARIC院长邢文华担任理事长。今后，实验室将围绕国家重大战略任务、重点工程对装备研制的迫切需求，逐步形成一批重点装备的自主设计建造和配套能力，提升企业持续创新能力，为推动我国海工装备产业的发展和上海科创中心建设作出贡献。

Resistance research of planing vessel based on STAR-CCM+

SUN Zhi-yuan ZOU Jin TAN Guo-ge ZHANG Yuan-gang
(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The geometric model of the planing vessel is first established to calculate its resistance. Then, the motion of the planing vessel is numerically simulated based on STAR-CCM+ to get the law of the resistance varying with the speed. Finally, the calculation results are found to be in agreement with the experimental data by comparison between each other. It is proved that the resistance of the plaining vessel can be simulated effectively by STAR-CCM+. The method has high accuracy for the cases in the paper, providing reference for the prediction of the resistance of planing vessels.

planing vessel; numerical simulation; resistance; STAR-CCM+

U661.31+1

A

1001-9855（2017）03-0016-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.016

国家自然科学基金（51509055）。

2016-11-21；

2016-12-06

孙志远（1991-），男，硕士。研究方向：高性能船舶技术。

邹 劲（1965-），男，博士，研究员。研究方向：高性能船舶。

谈果戈（1992-），男，硕士。研究方向：船舶水动力学。

张元刚（1992-），男，硕士。研究方向：舰船总体设计。