基于势流理论下的船舶设计研究
【摘 要】随着CFD（Computational Fluid Dynamics）技术在船舶设计研究中的应用，数字化的船模水池，在民船与军船水动力特性研究中得到广泛的应用。本文介绍了以势流理论为基础的船舶设计软件Shipflow，并介绍了其适用的船舶类型，分析了它在阻力预报中的优越性。
【关键词】CFD；势流理论；阻力预报
中图分类号： U675.91 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0194-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.088
【Abstract】With the application of CFD（Computational Fluid Dynamics）technology in ship design research， digitalized model vessel pools have been widely used in the study of hydrodynamic characteristics of civilian and military ships.
【Key words】CFD；Potential flow theory；Resistance prediction
21世纪，科技高速发展为船舶业带来了巨大的机遇与挑战，作为船舶设计者，要审时度势，积极开发应用新技术，才能立足于行业前列。CFD是一种新兴的计算方法，它作为一种新的优化船型手段在国内外船舶设计中已得到了广泛的应用。但由于受到当前理论水平和计算机的运算速度限制，CFD方法对于精准预报船舶水动力性能还些不足，但其计算结果仍能一定的精度要求，且能得到比船模试验更多流场信息。目前主流的CFD设计软件有：Fluent、CFX，Star-CCM、Comsol等，由于算法和软件本身侧重点不同，因此各有优缺点。本文将介绍一种基于势流理论的CFD计算软件Shipflow，并分析其在特定船型设计中所具有的优越性。
1 软件简介
Shipflow是以CDF为依托，处于领先地位的船舶水动力设计分析专用软件，最初是由瑞典SSPA公司和Chalmers科技大学在八十年代联合研发的，针对船体水动力数值模拟的专用软件[1]。在国内，Shipflow应用主要集中在高校等科研院所，侧重于应用研究[2]；在国外，该软件侧重应用于多学科设计优化，例如，船型参数化软件Friendship已将其作为系统默认求解器[3]。除此之外国外学者还十分重视软件的檢验与验证，Lu[4]等对Shipflow软件用于油船仿真的网格划分、计算设置等进行了相关性分析；Mierlo[5]对Shipflow软件的网格划分、兴波阻力计算方法和收敛准则等开展了较为深入的研究，并经过系列船型计算，得到了可用于修正Shipflow计算结果的回归公式。
2 计算优越性分析
船舶拖曳水用船舶模型实验方法，模拟船舶运动状态，是船舶水动力实验的重要设备。船模实验是验证船舶设计、了解船舶阻力性能的重要环节，其实验数据至今仍在新船型开发中起着重要的作用[6]。但这种方法实验费用高，周期长，且对船池本身依赖性较大。船舶CFD是通过模拟不可压缩牛顿流体的湍流运动状况来预报船舶航行时的水动力性能。结合具体的船型，CFD可以比较精确预报船舶快速性和流场特性，能比较不同流线方案的快速性优劣。由于是在“数值水池”中进行试验，尤其在设计初期，不用进行船模实验，也可以获得具有参考价值的设计参数，从而缩短设计周期，降低成本，这在船舶设计有着重要意义。Shipflow是造船行业广泛认同的功能最全面，最完善的有效计算船舶阻力性能的CFD软件之一，它相当于数字化的船模水池，在民船与军船水动力特性研究中有广泛的应用。Shipflow可以通过模拟给出波浪模式，压力分布，速度矢量，空间流线和波浪增阻，粘性阻力，兴波阻力，诱导阻力，升力，螺旋桨效率等船体特征性参数[7]。新开发的Shipflow版本还增加了增添了浅水效应研究，盘形推进器网格自动划分和多船体研究等功能。
Shipflow将船体周围的流场划分为三个计算流域，分别为势流区、薄边界层区和湍流区，根据各个区域流体流动特性的不同，分别在每一区采用不同的数值计算方法。其中每一区使用的CFD方法如下：
2.1 势流区
Shipflow在该区域采用Rankine源法，根据自由表面的线型、非线性边界条件，进行高阶面元法的势流理论进行计算，主要是求解船舶的兴波阻力。
其原理是认为此区域船舶在不可压缩的理想流体中运动，忽略水的粘性，且不考虑尾部伴流影响，进行数值计算时，运用高阶面元法，联立Laplace方程以及自由液面边界条件得出速度势分布，然后根据伯努利方程得到压力与速度的关系，最后算出船舶兴波阻力系数Cw。
2.2 薄边界层区
此区域主要应用边界层理论。采用动量积分的方法，对船舶前三分之二的船体沿边界层进行厚度积分，起点可以从驻点开始，也可以从选定的站点开始。将势流压力分布作为输入参数，可计算出此区域的摩擦阻力。
2.3 湍流区
此区域可看做是对粘性流体进行求解。Shipflow采用基于有限体积法的RANS求解器——XCHAP求解模块[8]来进行计算。
计算中采用时均化的N-S方程，即雷诺方程。
不可压缩流体的雷诺方程：
在数值计算中采用有限体积法，通过k-？着湍流模型进行求解。其中，RANS方程的边界条件可由势流和边界层计算得到，方程中的对流项采用Roe平均策略，取二阶精度格式，其余各项采用中心差分进行离散，并对离散方程进行迭代求解[9]，由于此区域船体受到流体的粘性作用，对船体湿表面进行积分，所得运动方向上的分量即粘性阻力Rv，再通过RANS方程求解得到船体表面压力分布。采用这种分区域分步骤的求解方式，得到船舶航行时受到的总阻力。整个计算方法既能保证计算的精度与准确度，同时也有效缩短了计算周期，提高了计算效率。