基于CFD的水线面大开口船舶阻力预报

祝启波 曾江易

摘    要：应用FINE/Marine软件对某水线面大开口船舶阻力进行数值预报。计算船舶船舯开口开启和封闭状态下的船舶阻力及其运动参数，通过与模型试验的比较，探讨采用数值计算方法预报船舶阻力的可靠性;分析其流场变化，研究阻力增加的原因，为后续类似船舶设计提供阻力性能参考。结果表明：数值预报精度满足工程应用的需要，能够较好地模拟船舶周围流场的信息，大开口导致的粘压阻力变化是引起船舶阻力增值的主要原因。

关键词：水线面大开口;数值预报;阻力

中图分类号：U661.31                              文献标识码：A

Resistance Prediction of Ship With Notch Based on CFD

ZHU Qibo， ZENG Jiangyi

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The numerical simulation software FINE/Marine was applied to predict the resistance performance of a ship with a notch. The resistance performance of the ship is simulated under the opening and closing of the notch to calculate the resistance and movement of the ship. The reliability of CFD used in the prediction is verified by comparing the calculation results with model test results. The change of flow field is analyzed， and the reason of the increase of the ship resistance is studied. The results show that the accuracy of the numerical simulation prediction meets the needs of engineering application and properly reflects the real information of surrounding flow filed. The change of the viscous pressure resistance caused by the notch is the main reason for the increase of the ship resistance.

Key words： Notch; Numerical prediction; Resistance

1     前言

船舶阻力預报对于提高船舶快速性至关重要，其主要研究方法有三种：理论方法、试验方法和数值模拟。其中，数值模拟能够模拟船模试验难以做到的复杂现象、成本更低，通过CFD方法[1-4]进行船舶阻力研究和船型优化已越来越成熟。

近年来，为满足作业需要，一些船舶会在其船体水线面开设大型开口，水线面大开口会对船舶的阻力性能产生一定的影响。目前已有部分学者对该方面进行了研究，石珣[5]通过试验和数值模拟结合对比的方法，研究因船体首部开口及尾部开口引起的阻力变化问题，得到了不同开口尺寸、形状及位置对于阻力变化的影响规律;潘放[6]等分析不同开口类型对于船体阻力的影响，相比于拥有月池的船，水线面开口对阻力的增加影响更小。

本文以某船舯大开口船舶为研究对象，应用Fine-Marine软件对其阻力进行数值预报。计算船模在不同航速时的阻力大小，分析其阻力性能，通过与模型试验结果的比较，探讨CFD数值预报的可靠性;结合其流场变化，研究阻力增加的原因，为后续同类船型的设计和研制提供帮助。

2     项目模型及网格划分

2.1   网格模型

本项目为某船舯大开口船舶，模型的缩尺比为1：18，其主尺度如表1所示。为满足作业需求，在船舯设置了一个长×宽×高为8 m x 4 m x 4.2 m 的矩形开口;为研究开口对于船舶阻力的影响，建立了闭口（船舯无开口）及开口（船舯设大开口）两个计算模型，如图1所示。

2.2   网格划分

本文计算区域出口取模型如下：尾部向后3倍船长;进口取模型首部向前1倍船长;船侧取1倍船长;上方边界取0.5倍船长;下方边界取2倍船长。

计算网格采用全六面体非结构网格，由FINE/Marine自带的HEXPRESS生成。网格划分时对船首尾以及水线面进行适当加密，以得到准确的计算结果及流场信息;闭口模型及开口模型的网格划分，如图2所示。

2.3   求解方法

本文CFD计算采用剪切压力传输（SST）k-ω模型。对于动量方程和湍流方程，采用AVLSMART格式进行离散;对于自由液面运动方程，采用BRICS格式进行求解。

3    计算结果与分析

3.1   网格收敛性验证

在开始计算之前，先进行网格收敛性验证。收敛性验证的三套网格数量，见表2。在网格收敛性计算中，船体正浮且姿态固定。对Fr = 0.307下闭口模型的阻力进行计算（见表2），结果表明：粗网格的结果与其他两套差别较大;中等网格和密网格的结果相近。在后续计算中，均采用中等网格的配置，以减小计算时间。

3.2   数值模拟结果

船模阻力计算工况依据船舶的实际情况进行选取。本船设计航速为15 kn，选取的航速范围为12～17 kn，对应傅汝德数Fr=0.254～0.360。根据选取的工况对船模进行数值模拟，得到闭口模型和开口模型在不同航速的阻力值，如表3所示。

从表3可以看出：同一航速下开口模型所受到的总阻力高于闭口模型所受到的总阻力;航速越小，其阻力增值幅度越大。在12 kn时，开口模型相较于闭口模型，其阻力增值幅度达到了79.14%;在设计航速15 kn时，开口模型所受总阻力较闭口模型的增值幅度高达37.85%。

图3、图4分别给出了几个典型工况下，闭口模型及开口模型自由液面波形分布。从图中可以看出：CFD数值模拟下，随航速的增大波形展开非常明显;航速越大，首波峰处的波高越大，船尾及其后方的波形变化越复杂。

3.3   计算结果比较

船舶在不同航速时，数值计算值与试验值的对比，见表4所示。从表4可以看出：闭口模型在设计航速（Fr=0.317）时，试验值为27.575 N、数值计算值为26.345 N，两者的误差为4.67%。总的来看，闭口模型试验结果要比数值计算结果略高，产生这一误差的原因，可能是实际试验时闭口模型中部开口区域并未完全水密，开口内存在液面，而数值仿真时没有考虑到这一情况;开口模型在设计航速（Fr=0.317）时，试验值为39.190 N、数值计算值为36.317 N，两者的误差为7.91%，差值较大。产生这一误差的原因，可能是实际试验时开口处的自由液面变化剧烈，波浪不断飞溅到船模外侧，而数值仿真中由于计算需要在开口顶部设置了一道墙壁，波浪会遇到墙壁反射，数值仿真和实际模型试验在运动条件上存在一定的差异而产生误差。总体来说，本文采用的数值计算方法能够比较有效的预报水线面大开口船舶的阻力性能。

表4  模型阻力计算值与试验值的对比

图5、图6分别为闭口模型、开口模型在升沉和纵摇方向上的运动计算值与试验值的对比。从图5、图6可以看出：两者在升沉方向的变化趋势基本一致;而纵摇方向计算值与试验值存在一定的差异，说明开口的存在会影响数值计算的准确性。

a）升沉方向                                 b）纵摇方向

图 5  闭口模型在升沉和纵摇方向上的运动计算值与试验值的对比

a）升沉方向                                      b）纵摇方向

图 6  开口模型在升沉和纵摇方向上的运动计算值与试验值的对比

3.4  开口对船舶阻力性能的影响

从上面的计算结果来看，水线面大开口的存在导致了船体总阻力急剧增大，但闭口模型和开口模型摩擦阻力相差不大，摩擦阻力对船体阻力变化影响较小。

图7为几个典型航速下计算域y=0.278 m处沿x方向的波高分布对比图。从图7可以看出，开口模型与闭口模型在船首附近的波高基本一致，说明船体中部开口对于船首波系影响不大;而在船尾处，开口模型与閉口模型的波高分布出现了一定的差别，开口结构使得原本船尾后的波峰与波谷有明显的前移，出现这一现象的原因可能是船首横波在传播过程中受到了中部开口的影响，从而使得其在船尾部分与船尾横波混合后组成的横波也受到影响，产生了上述差异。

对于船舶的兴波阻力，其大小与船行波波高平方及波宽成正比关系。由图7可以看出：尽管开口模型与闭口模型在尾部的波高分布出现一定差异，但两者船行波波高及波宽却相差不大，两者所受的兴波阻力也应相差不大。由此可得：船体中部大开口结构对于船舶兴波阻力变化影响较小，兴波阻力并非是引起船体总阻力急剧增大的主要原因。

图8为几个典型航速下开口模型与闭口模型船体表面自由液面分布图。从图8中可以看出：开口模型与闭口模型在船中开口以外的区域自由液面分布基本一致，这进一步验证了水线面大开口对船舶兴波阻力影响不大;开口模型中部开口内流体一部分流向船底，一部分则被壁面阻挡反射，自由液面出现了严重的界层分离和漩涡，产生较大的粘压阻力，进而使得船体的剩余阻力增大。因此，大开口导致的粘压阻力变化是引起船体阻力增值的主要原因。

4    结论

本文以某船舯大开口船舶为研究对象，应用Fine-Marine软件分别对船舯大开口开启和封闭状态下的船舶阻力及其运动进行数值预报。对于闭口模型，预报结果与试验值的误差最大为4.71%;对于开口模型，预报结果与试验值的误差最大为8.84%。这说明采用数值计算方法预报船舶阻力是合理可靠的，可为后续同类船型开发研究提供参考。从预报结果来看，水线面大开口的存在导致了船体总阻力急剧增大，船舯开口结构对船体摩擦阻力和兴波阻力变化影响较小，大开口导致的粘压阻力变化才是引起船体阻力增值的主要原因。

参考文献

[1] CHOI J E ，KIM J H ， LEE H G， et al. Computational Predictions of Ship-speed Performance[J].  Journal of Marine Science and Technology， 2011， 14（3）：       322-333.

[2] 杨培青， 管义锋基于.  基于CFD的三维船体摩擦阻力预报与验证[J].  船舶工程， 2007， 29（3）： 61-64.

[3] 王金宝， 于海， 张越峰， 等. 低速肥大船舶尾流场数值模拟及阻力性能预报[J]. 水动力学研究与进展， 2010， 25（5）： 648-654.

[4] 倪崇本. 基于 CFD 的船舶阻力性能综合研究[D]. 上海交通大学， 2011.

[5] 石珣，  陈新权，  谭家华.  基于计算流体力学方法的水线面大开口工程船阻力性能分析[J]. 上海交通大学学报， 2012（8）： 1178-1183.

[6] 潘放， 刘亚东. 水线面大开口深拖母船的阻力性能研究[J]. 船舶工程，2017， 39（11）： 13-17.