基于SHIPFLOW的散货船阻力预报分析

杜敏 何珍 田中文 伍蓉晖

摘 要：本文利用SHIPFLOW软件对某中低速灵便型散货船进行船模尺度下的阻力预报分析，提出SHIPFLOW适用于中低速肥大型方尾散货船阻力预报的计算模式及改善尾部网格质量、提高计算精度的方法。将阻力的CFD模拟结果与船模试验结果进行对比，结果表明CFD阻力预报误差基本控制在±3%范围以内，满足工程精度要求，验证了SHIPFLOW对散货船阻力预报的适用性，为后续方案优选论证提供保障。

关键词：中低速肥大型散货船；方尾；SHIPFLOW；阻力预报；计算精度

中图分类号：U661.32 文献标识码：A

Abstract： In this paper， the resistance predictions are carried out at model scale of the medium and low speed handy-size bulk carrier by utilizing the CFD software SHIPFLOW. The appropriate methods are implemented to numerically simulate resistance coefficients of the full block bulk carrier with transom stern at relative low speed and the ways of improving the stern grid quality in terms of transom stern flow to ensure the accuracy of the numerical results are proposed. By comparison with the experimental data， the deviation could be controlled below 3%， satisfying the engineering requirement. Therefore， the feasibility of the numerical prediction method based on SHIPFLOW was validated， which provides a guarantee for the stage of design optimization and demonstration to ensure its results.

Key words： Medium and low speed full block bulk carrier； Transom stern； SHIPFLOW； Resistance prediction； Computational accuracy

1 引言

目前，随着计算流体动力学（CFD）相关理论的不断完善和计算机技术的不断升级，船舶CFD得到突飞猛进的发展。其中，将船舶专用流体计算软件SHIPFLOW与船型参数化软件CAESES相结合进行多方案阻力预报，已成为船型设计及前期优化阶段广泛采用的作法。大量研究表明，SHIPFLOW的势流/粘流求解器能够快速有效地预估船体阻力等性能。但目前的研究大都集中于方形系数CB小于0.8的中高速细长船型方面，对于SHIPFLOW在中低速肥大船型阻力预报方面的适用性研究较少。

本文利用SHIPFLOW软件对某中低速灵便型散货船进行船模尺度下多速度点的阻力预报分析，研究计算方法的适用性，并通过提升尾部网格质量的方法来改善计算精度，保障阻力预报的准确性。

2 计算原理

利用SHIPFLOW进行船舶阻力预报，按RANS粘流计算区域的划分进行分类，主要包括两种计算模式：软件默认的分区域ZONAL算法（仅尾部基于RANS计算粘流）和全船采用RANS计算粘流的GLOBAL算法。

如图1所示：（1）ZONAL分区域算法，将流场划分为势流区、边界层区和粘流区三个区域。针对不同的阻力成分采用对应的理论模型、计算原理和网格划分方式，从而大大缩短了模拟周期。其中，区域一为外围势流区，采用非线性势流理论计算兴波阻力，船体和自由液面采用面元网格，对应软件的XPAN模块；区域二为船首至船舯的边界层流场，基于边界层理论计算船体的摩擦阻力，对应软件的XBOUND模块；区域三为船舯至船尾的粘流区域，采用结构化体网格，通过有限体积法结合k ? ω SST或EASM湍流模型求解RANS方程，计算船体的摩擦阻力和粘压阻力等，对应XCHAP模块；（2）GLOBAL算法，在全船范围内进行粘流计算，求解RANS方程（如图2所示）。该算法对计算设备的要求较高、运算周期较长，但某种程度上可以提高计算精度。

3 数值计算与分析

3.1 计算模型

本文选用某一方形系数CB=0.87的灵便型散货船作为计算模型，分别在设计吃水和结构吃水状态下进行船模尺度下多速度点（Fn=0.137～0.186）的阻力预报分析。

3.2 网格划分设置

SHIPFLOW可以自动划分网格，根据势流、粘流计算的特点，采用两种网格生成器：XMESH面元网格生成器和XGRID结构化体网格生成器.对于网格的尺寸，软件提供了三种参考模式，便于用户快速设置网格。目前，有关SHIPFLOW网格划分对计算精度的影响已有较多研究成果，网格质量可以满足计算精度要求，因此本文后续计算均采用软件自动生成的fine网格。

如图3所示，对于方尾船型的浸水尾封板，在较低速时尾封板浸没高度较大，此时对应的尾流为静水流；随着航速增大，當相对傅汝德数Fntr>3时，尾部的水流具有足够的动能克服粘性影响，从而使自由面脱离尾封板下边界，此时为干尾封板。Fntr表达式为：

通过计算不同航速对应的，发现仅在设计吃水下的相对高速点Fn=0.186时需要设置干尾封板。计算发现设置Transom后，收敛问题变得复杂，需要进行一系列收敛性测试才能得到较好的结果。

3.3 数值分析

SHIPFLOW利用XPAN模块进行势流计算得到兴波阻力，其表达方式有两种：压力积分法和横切波法。其中，横切波法对网格质量的敏感性相对较低[2]，因此本文采用横切波法表达兴波阻力。总的水阻力系数Ctwtwc等于兴波阻力系数Ctwtwc、粘压阻力系数CPV及摩擦阻力系数Cf之和：

3.3.1 计算方法分析

本文分别选用ZONAL法和GLOBAL法对设计吃水下对应的多个速度点进行阻力预报，得到总的水阻力系数及其精度的变化曲线，如图4所示。其中，精度表达式为：

由图5分析可知：

（1）两种算法预报的阻力系数曲线与船模试验值的变化趋势基本一致；

（2）GLOBAL算法的计算值略高于试验值，误差ACtwtwc小于2.5%，满足工程精度要求；ZONAL算法的计算值远低于试验值，误差超过5%，不满足工程精度要求；

（3）相较于ZONAL算法仅对船体后半部进行RANS粘流计算，GLOBAL算法对全船进行RANS粘流计算，粘性阻力预报更精确，计算值更接近试验值；

（4）大量研究表明：对于中高速细长船型的阻力预报，SHIPFLOW常用的ZONAL算法能够满足精度要求；但对于散货船等中低速肥大船型，采用ZONAL算法预报阻力已无法满足工程精度要求，因此在对阻力预报精度要求较高时，推荐采用能够充分考虑全船RANS粘流计算的GLOBAL算法。

3.3.2 尾部网格改善设置

根据公式（4）：随着船速增加，兴波阻力将急剧增大。因此，对于低速散货船，由于兴波阻力所占比例很小，主要为粘性阻力，故想通过调整网格等方式来改变摩擦阻力的精度意义不大；粘性阻力计算精度受浸水尾封板周围的网格质量影响较大。对于低速方尾船浸水尾封板的网格处理，SHIPFLOW默认的网格划分方式为自由面网格会强制接近尾封板的边界，尾部网格质量较差，此时可通过添加湿尾封板（简称Wtran）填补尾封板与尾流自由面之间的区域，保证网格自尾封板边界至尾流自由液面之间能够光滑过渡，生成较为真实的浸水尾封板形状，同时加密其周围的贴体结构化网格，从而改善尾部网格质量，保证在进行粘流计算XCHAP时能够较为精确地计算粘压阻力。

基于上文分析，本文后续研究均采用GLOBAL算法，并且除了Fn=0.186时需要设置干尾封板，其余速度点均添加湿尾封板。通过计算得到尾部网格改善前后各阻力系数及其精度的变化曲线，如图5、图6所示。

通过分析可知：

（1）通过添加Wtran网格所示，摩擦阻力系数Cf几乎没有变化，粘压阻力系数CPv变化很大，减小了约7%左右，粘压阻力计算更加合理；

（2）添加Wtran改善尾部网格后，总水阻力系数的计算值仍与试验值的变化趋势基本一致，且计算值有所减小，误差大多在±1%范围内，仅在Fn=0.174时误差绝对值变大，整体优化效果明显；

（3）当Fn=0.174时，添加Wtran导致误差绝对值变大。分析原因：当Fn=0.186时，尾部水流已具备足够的能量可以完全脱离尾封板，需添加Transom保证尾封板处于干燥状态；在Fn=0.174的相对高速点，出现部分水质点脱离尾板的现象，因此尾板的实际浸没面积减小，此时若添加Wtran反而会降低计算精度。

综上所述，对于低速方尾船型，当尾封板的浸没面积较大时，可通过添加Wtran网格来改善尾部网格质量，从而提高粘压阻力计算精度；在相对高速点，考虑到尾流分离现象，可适当添加Transom。

3.3.3结构吃水下总阻力系数计算结果

基于上文结论，采用GLOBAL算法对结构吃水状态下的总阻力系数进行预报分析，所有速度点均设置Wtran，得到总阻力系数及精度的变化曲线，如图7所示。

比较Wtran添加前后的计算结果可知：在结构吃水状态下，添加Wtran后，总阻力系数的计算值与试验值的曲线变化趋势较为一致，且计算值低于试验值；当Fn≤0.161时，误差<2%；当Fn>0.161时，计算值逐渐变大。

对尾部网格设置进行修正，仅在Fn≤0.161的低速点添加Wtran，得到总阻力系数及精度变化曲线，如图8所示：预报值更接近试验值，在低速点误差低于2%，仅在相对高速点误差较大，但误差绝对值仍小于3%，整体预报结果较稳定，满足精度要求。

4 结论

（1）无论是设计吃水还是结构吃水状态，采用GLOBAL算法得到的总阻力系数的误差均在±3%范围以内，证明利用SHIPFLOW软件对中低速肥大型散货船进行阻力预报是可行的；

（2）对于中低速方尾船型，可通过以下方法改善阻力预报精度：在低速点设置湿尾封板对尾部网格质量进行改善；在相对高速点考虑尾流分离的影响，适当添加干尾封板；

（3）对于SHIPFLOW提供的两种阻力预报算法：ZONAL算法虽然精度欠佳，但模拟速度快、阻力预报值与试验值的变化趋势较为一致，可用于方案优化初期阶段的多方案阻力快速预报，迅速锁定优化目标范围；GLOBAL算法虽然用时较长，但计算精度较高，可保障方案优选论证结果的准确性。二者相结合，可在保障计算精度的前提下，提升整体优化速度。

参考文献

[1]卢雨，胡安康，尹逊滨等. 基于 SHIPFLOW 的某大型集装箱船阻力预 报与试验验证[J].中国造船， 2016，57（2）.

[2]陳伟，许辉， 邱辽原等.基于SHIPFLOW软件的方尾舰船阻力快速预 报[J].中国舰船研究， 2012， 7（4）.

[3]陈红梅，蔡荣泉. 势流计算在船舶型线优化改型中的适用性研究[J]. 船舶工程， 2012， 34（增2）.

[4] Mierlo K J. Trend Validation of SHIPFLOW Based on the Bare Hull Upright Resistance of the Delft Series [D]. Netherlands： Delft University of Technology， 2006.

[5]J He， H Chen， H Yu， etc. Resistance Optimization of a Cruise Ship Using a Hybrid Approach [J]. The 27th International Ocean and Polar Engineering Conference， 2017.

[6] Prasanta K. Sahoo， Lawrence J Doctors， etc. CFD Prediction of the Wave Resistance of a Catamaran [J]. MAHY 2006：International Conference on Marine Hydrodynamics，2006.

[7]方昭昭，趙丙乾，陈庆任等.基于CFD的双尾船型阻力数值预报[J]. 中国舰船研究，2014， 9（4）.

[8] FLOWTECH. SHIPFLOW6.3 Users Manual[M]. Gothenburg， Sweden， 2017： 8-9，46.

[9] Xchap Theoretical Manual [M]. Gothenburg， Sweden， 2007.

[10]H.C. Raven. A Solution Method for the Nonlinear Ship Wave Resistance Problem [D]. Netherlands：Delft University of Technology， 1996.

[11] SHIPFLOW Design Tutorials Basic [M]. Gothenburg， Sweden， 2017.