船体绕流场数值模拟
绕水翼超空化流场的数值模拟
（ ｃ ｏｌ ｆ ｎｒｙａ ｄＰ ｗ ｒ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｊ ｎｓ ｎｖｒｔ，Ｚ ｅｊ ￣，Ｊ ｎ ｓ １０ ３， ｈｎ ） Ｓ ｈｏ ｏ ｅｇ ｎ ｏ ｅ ｇｎｅｉ ， ｉ ｇｕＵ ｉ ｓｙ ｈｎｉ ｇ ｉ ｇｕ２ ２ １ Ｃ ｉａ Ｅ Ｅ ｎ ａ ｅｉ ｍ ａ
中图分 类号 ： Ｖ１ １ ３ Ｔ ３ ．２
文献 标志 码 ： Ａ
文 章编 号 ： ６ １ ７ ７ （０ ２ ０ ０ ３ ０ １ ７ — ７ ５ ２ １ ） １— ０ ９— ５
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｕ ｒ ａ ｉａ ｉ ｇ ｆｏ ａ ｏ ｄ ｈ ｄ ｏ ｏ ｌ ｍ ｒ ｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｆ ｓ ｐｅ ｃ Ｖ ｔ ｔｎ ｗ ｒ ｕｎ ｙ ｒ ｆ ｉ ｌ
绕 水翼 超 空 化 流 场 的数 值 模 拟
杨敏 官 ，尹必行 ， 康 灿
（ 苏 大 学 能 源 与 动力 工程 学 院 ， 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 江 １０ ３
摘 要 ：基 于 Ｒ ｙ ｏ ｓ 均 法 ， 用 Ｒ Ｇ ｋ— 模 型及 Ｍｉ ｕｅ两相 流模 型 ， ｅｎ ｌ 平 ｄ 采 Ｎ ｘｒ ｔ 对绕水 翼 ｙ９ ０的超 空化 ｓ３ 流 动进行 了数值模 拟 ， 到 了绕 水翼各 个超 空化 阶段 的超 空化 形 态及 各 阶 段 的 临界 空化数 与水 翼 得
ｔ ｎｈｐ ｅ ａｓ ｆ ｅｅｔ ｎ ｔ ａｃｕ ｔｒ ｏｋ ｉ ｏｔ ｋ ｓｃｖ ｙｇ ｆｔｅｓｃ ｏ ｉｅｏ ｅ ｉ ｓｉ．Ｂ ｃｕｅｏ ｒ—ｎｒ ｔ ｅ， ｏ ｎｅｃ ｃ ｗｓ ｖｒ ｘｍａｅ ａｉ ｏｏ ｕｔ ｎｓ ｆｈ ｏ ａ ｊ ｌ ｅ ｅ ｔ ｈ ｉ ｄ ｔ
用 ， 水翼 前缘 处形 成 一个逆 时针 旋 涡 ， 逐 渐长 大 的 空泡脱 离水 翼吸 力面 并 向 下游 脱 落 ； 不 同 在 使 在
基于CFD的船舶总阻力数值模拟
基于CFD的船舶总阻力数值模拟陈骞;查晶晶;刘刚【摘要】为了实现利用CFD准确预报船舶阻力,选取2种船舶线型,对静水下不同航速时的阻力进行模拟,考虑船舶的对称性,使用半船进行建模,为减少网格数量并尽量保证精度,采用局部加密进行网格处理,采用VOF法对自由液面进行模拟,与船模试验数据对比表明,本方法具有较高的数值精度.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2019(048)002【总页数】4页(P170-173)【关键词】CFD;总阻力;粘流;数值模拟【作者】陈骞;查晶晶;刘刚【作者单位】上海外高桥造船有限公司,上海200137;上海外高桥造船有限公司,上海200137;上海外高桥造船有限公司,上海200137【正文语种】中文【中图分类】U661.3在船舶设计过程中，为了获得各线型差异对船舶阻力的影响，往往需要大量的船模试验。
但船模试验周期长、成本高，而且，通常只能选取其中的典型线型进行船模试验。
为此，考虑采用CFD数值计算方法，利用计算机技术，在船舶设计及线型优化中进行各种模拟预估，从众多方案中进行选取，减少船模试验次数，节省开发时间和开发成本。
选取两不同船舶线型，选取多速度点进行数值计算[1-3]。
通过与水池船模试验结果的比较，分析CFD模拟阻力值与水池试验报告的数值精度，得到精度高的模拟方法。
1 船舶流体理论基础在船舶的流场中，粘性起到主要作用，计算必须考虑到流体黏性。
黏性流体运动满足质量守恒定律、动量守恒定律、动量矩守恒定律及能量守恒定律。
当考虑流体为不可压缩时，密度ρ为常数，基本方程只剩下连续方程和动量方程，将本构方程代入得到雷诺方程。
1.1 雷诺Navier-stokes方程对于不可压缩的流体，N-S方程为[4]▽ρ+▽2ν(1)N-S方程为一非线性的二阶偏微分方程，等式左边为惯性力，右边依次为质量力、压力合力和黏性力。
其中黏性力又分为剪应力与附加法向应力。
1.2 雷诺平均N-S方程虽然N-S方程能描述湍流的瞬时运动，但对湍流空间中每一点的物理量进行描述和预测是相当困难的。
船舶航行中的流体力学特性及其建模仿真
船舶航行中的流体力学特性及其建模仿真船舶的流体力学特性是研究船舶航行性能和操纵特性的重要方面。
通过对船舶在水中的运动过程进行建模仿真，可以帮助我们更好地理解船舶航行中的流体力学特性，并提供指导船舶设计和运营的依据。
本文将探讨船舶航行中的流体力学特性以及相关的建模仿真方法。
一、船舶航行中的流体力学特性1. 水动力学基本原理船舶航行过程中的水动力学基本原理包括牛顿第二定律、阻力与推进力平衡、浮力原理等。
牛顿第二定律描述了物体受力导致的加速度变化，对于船舶来说，牛顿第二定律可以用来描述船舶在水中的运动过程。
2. 水的阻力与推进力船舶在航行中会遇到水的阻力，这是由于船体与水之间的摩擦以及水流的阻力导致的。
推进力是指使船舶前进的力，可以通过螺旋桨或者推进器产生。
船舶设计中需要考虑最小化阻力并最大化推进力，以提高船舶的航行效率。
3. 浮力与稳定性浮力是指船舶在水中受到的向上的浮力，根据阿基米德原理可知，浮力等于船体排开的水的重量，船舶的浮力要大于或等于船体的重力，才能保证船舶能够浮在水面上。
船舶的稳定性也是航行中需要考虑的重要因素，船舶设计时需要保证船体的稳定性以确保船舶在海上航行时不易倾覆。
二、船舶流体力学建模仿真方法1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种通过数值计算来模拟船舶流体力学特性的方法。
常用的数值模拟方法有CFD（Computational Fluid Dynamics）方法。
CFD方法基于物理原理和数学模型，在计算机中进行流体的数值模拟，可以模拟船舶在水中的运动过程。
通过CFD方法，可以计算船舶的阻力、流场、波浪、流动分布等信息，为船舶设计提供重要参考。
2. 片面力模型片面力模型是一种简化的船舶流体力学建模方法，通过建立船舶船体与水的相互作用力模型，来分析船舶在水中的运动特性。
常用的片面力模型有TVP（TVP）方法、CDG（Compliance Derivative Guidance）方法等。
这些模型可以通过简化船舶在水中的运动过程，得到船舶的力学特性，为船舶设计和控制提供指导。
船舶在波浪中航行的流场数值模拟分析
船舶在波浪中航行的流场数值模拟分析作者：汪异周文平来源：《发明与创新·大科技》 2018年第1期摘要：采用基于VOF和高精度自由面捕捉技术的三维非稳态CFD（计算流体动力学）方法，对船舶在迎浪状态下多自由度耦合航行时的粘性流场进行数值模拟。
结果表明：船舶迎浪航行时，自由面波形呈现对称分布，阻力系数及动力响应呈现正弦周期性变化的特点。
结果可为船舶在波浪中摇荡运动及耐波性研究提供指导。
关键词：船舶；迎浪航行；斜浪航行；数值模拟；流场分析船舶在波浪中航行时，粘性绕流场状态决定了船体的水动力性能[1]。
然而，波浪中运动的船舶会产生周期性的摇荡运动，使得船舶水下形状发生变化，从而引起船体周围的粘性绕流场的变化，对船舶的耐波性和快速性等产生不利影响。
目前对船舶粘性绕流场的研究主要有实验方法和CFD方法 [2]。
通过直接求解雷诺时均三维粘性N-S方程的CFD数值模拟方法能得到绕流场细节，进而分析船舶在水环境中的耐波性及快速性等性能，具有明显的优势[3]。
本文采用商用软件ANSYS Fluent对船舶在迎浪状态下纵摇、垂荡和横摇三自由度耦合航行时的流场进行数值模拟，分析迎浪航行对船舶的阻力、横摇及自由表面波形等性能的影响规律。
1.计算模型及网格本文计算对象为Wigley船型，船体基本尺寸为：长L=2 m，宽B=0.2 m，吃水T=0.125 m。
对于船舶绕流建模，计算域的选取要确保不影响计算流场。
本模型中，整个计算域为长方体，进口距船首2L，设置为速度入口边界；出口距船尾4L，设置为压力出口边界；四面为对称边界（法向速度和其他物理量的法向梯度均为0）：左右表面距船体中心2L，上表面距中心0.2L，下表面距中心（即水深）1.5L。
采用ICEM-CFD软件对流场区域进行非结构化网格划分，网格总数约为250万。
为确保对边界层内的流动特性的良好捕捉，对船身近壁面生成棱柱体边界层网格，且保证第一层网格被布置于Y+小于10的范围内、边界层网格法向膨胀率不超过1.2。
高速船舶流场数值模拟技术研究
高速船舶流场数值模拟技术研究现代海洋运输业的快速发展，导致需求越来越大的高速船舶，这些高速船舶对于流场性能要求极高。
然而，传统的船舶设计方法已经无法满足这种需求。
高精度、高效的数值模拟方法已成为不可或缺的设计手段。
在高速船舶流场数值模拟技术研究领域，数值模拟方法、模拟技术以及参数调整技术越发成为研究的关键。
一、数值模拟方法在高速船舶流场数值模拟研究中，最常用的方法是计算流体力学（CFD）方法。
CFD方法中最常使用的模型是雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）。
RANS方程可用于预测涡流结构和船体表面压力分布，从而对高速船舶的设计和优化提供定量数据支持。
在最新的高速船舶流场数值模拟研究中，研究人员还在使用大涡模拟（LES）模型。
LES能够提供更为精确的涡流信息，但相对而言模拟时间消耗较大。
二、模拟技术高速船舶的流场动态性强，常需要进行动态数值模拟。
因此，数值模拟中的时间步长和空间离散化的精度都对计算结果产生显著影响。
因此，诸如空间网格细度、时间控制、长度尺度等方面的模拟技术手段非常重要。
同时，在高速船舶的数值模拟中还需要处理复杂的问题，比如涡流结构、面团、可见玻璃球尺寸、海浪等各种因素。
研究人员常采用三维数值模拟技术处理这些变量，以得到更为精确的模拟结果。
三、参数调整技术使用数值模拟方法进行高速船舶的设计，关键在于运用合适与可靠的参数数值。
为此，研究人员需要发掘更多的关键因素并选择合适的数值。
调整的关键因素包括风向、浪浪、电缆绳索，水深、负荷尺寸，以及船体尺寸等诸多因素。
参数调整技术的另一重点是借助统计学方法。
这类方法可以预测任意一个参数可以带给设计的影响。
基于这些预留，调整的关键因素可以通过模拟预测的结果得到进一步的验证与修正。
总体而言，高速船舶流场数值模拟技术的发展随着科学计算手段的进步得到了极大地促进。
研究人员借助于先进技术手段，在模拟研究中可以更加深刻地把握船舶性能参数。
未来，技术手段会更加成熟，高速船舶流场数值模拟研究将更为丰富。
船舶流体力学研究的最新进展与应用
船舶流体力学研究的最新进展与应用船舶在海洋中的航行涉及到复杂的流体力学现象，对于船舶流体力学的研究一直是船舶工程领域的重要课题。
近年来，随着计算技术的飞速发展以及实验手段的不断创新，船舶流体力学研究取得了一系列显著的进展，并在船舶设计、性能优化和海洋工程等方面得到了广泛的应用。
一、船舶流体力学研究的最新进展1、数值模拟技术的突破数值模拟已经成为船舶流体力学研究的重要手段之一。
随着计算机性能的不断提升，计算流体力学（CFD）方法在精度和效率上都有了极大的提高。
高精度的湍流模型和多相流模型的发展，使得对船舶周围复杂流场的模拟更加准确。
例如，大涡模拟（LES）和分离涡模拟（DES）能够捕捉到更精细的湍流结构，为船舶阻力和推进性能的预测提供了更可靠的依据。
2、实验技术的创新在实验方面，粒子图像测速技术（PIV）、激光多普勒测速技术（LDV）等先进的测量手段被广泛应用于船舶流体力学研究。
PIV 技术可以实现对整个流场的瞬时速度测量，获取丰富的流场信息。
此外，水槽和水池试验设施的不断改进，如增加造波和消波装置，使得实验条件更加接近真实海洋环境，提高了实验结果的可靠性。
3、多学科交叉融合船舶流体力学与其他学科的交叉融合日益深入。
例如，与材料科学结合，研究新型减阻材料在船舶表面的应用；与控制工程结合，实现对船舶运动的智能控制以优化流体动力性能；与生物力学结合，从鱼类游动的高效机制中获取灵感，为船舶的节能设计提供新思路。
4、不确定性分析与优化在船舶设计过程中，考虑不确定性因素的影响变得越来越重要。
通过概率分析和可靠性设计方法，可以评估设计参数的不确定性对船舶流体力学性能的影响，从而提高设计的可靠性和稳健性。
同时，基于优化算法的船舶流体力学性能优化也取得了重要进展，能够在多目标、多约束条件下找到最优的船舶外形和结构参数。
二、船舶流体力学研究的应用1、船舶设计与性能优化船舶流体力学的研究成果直接应用于船舶的设计和性能优化。
船舶流场的数值模拟与水动力性能优化
船舶流场的数值模拟与水动力性能优化船舶的水动力性能是影响其行驶速度、稳定性和燃油消耗的重要因素。
为了研究船舶水动力性能的优化方法，数值模拟成为一种可靠和高效的手段。
本文将介绍船舶流场的数值模拟方法，并探讨如何通过优化船体形状和推进系统设计来提高船舶的水动力性能。
1. 数值模拟方法船舶流场的数值模拟主要包括两个方面：流体运动方程的求解和边界条件的设定。
流体运动方程可以通过Navier-Stokes方程来描述，其中包括连续性方程和动量方程。
为了简化计算难度，通常会采用雷诺平均Navier-Stokes (RANS) 方程，其中引入了湍流模型来描述湍流效应。
在数值求解过程中，需要建立离散的网格，并对每个网格单元的物理参数进行求解。
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法。
通过这些数值方法，可以得到船舶在运动过程中的速度、压力和湍流强度等参数，进而分析其水动力性能。
2. 形状优化船体形状是决定船舶水动力性能的重要因素之一。
通过数值模拟可以对船体形状进行优化，以减小阻力、提高速度和降低燃油消耗。
形状优化的方法主要包括基于响应曲面模型的优化和基于直接搜索的优化。
基于响应曲面模型的优化方法可以通过建立数学模型来描述船体形状与水动力性能之间的关系。
利用数值模拟的结果作为训练样本，可以建立出响应曲面模型，并通过优化算法来寻找最优解。
常用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等。
基于直接搜索的优化方法则通过构建一组候选解来寻找最优解。
在每一次迭代过程中，根据当前的候选解进行数值模拟，并评估其水动力性能。
通过不断调整候选解的参数，最终找到最优的船体形状。
3. 推进系统优化除了船体形状的优化，推进系统也是影响船舶水动力性能的重要因素之一。
推进系统的优化主要包括螺旋桨设计和动力配置的优化。
通过数值模拟可以对不同螺旋桨参数进行评估，并选择最优的设计方案。
同时，通过动力配置的优化可以合理配置机舱和发动机的位置，使得推力的传递更加高效。
船舶阻力及粘性流场的数值模拟
方法论
方法论
本研究采用实验测量和数值模拟相结合的方法，首先通过实验测量获取喷射 器流场的实际数据，然后利用数值模拟方法对实验数据进行验证和预测。具体步 骤如下：
方法论
1、实验设计：根据喷射器的实际应用场景，设计实验方案，包括测量位置、 测量仪器、实验操作流程等。
结论与展望
2、加强实际水域环境中船舶操纵性能的研究，开展更多的船模实验和真机实 验，积累更多的实测数据；
结论与展望
3、研究不同类型和尺度的船舶在各种复杂水域环境下的操纵性能，拓展研究 成果的应用范围；
结论与展望
4、结合先进的机器学习和人工智能技术，对船舶操纵性能进行智能评估和预 测，提高航行安全和效率。
引言
究，对提高船舶的操纵性能和航行安全具有重要意义。
背景
背景
船舶操纵运动与流场结构的关系一直是船舶工程领域的研究热点。早期的研 究主要集中在理想流体模型下船舶操纵运动的数学模拟，然而，由于实际船舶操 纵过程中所涉及的流体是复杂的粘性流体，因此，理想流体模型并不能完全反映 船舶操纵的实际
背景
情况。随着计算技术和实验技术的发展，对船舶操纵运动粘性流场和水动力 数值的研究逐渐成为可能。
结论与展望
展望未来，我们建议研究者们可以在以下几个方面进行深入探讨：1）开发更 高效、精确的网格生成技术和湍流模型，以提高模拟精度；2）研究不同船型、 不同水动力性能的船舶阻力及粘性流场，以拓展应用范围；3）结合先进的数据 分析和计算方法，
结论与展望
进行大规模数据处理和复杂模型训练，以提升模拟效率；4）探讨船舶阻力及 粘性流场的优化设计和控制方法，以提高船舶性能和节能减排效果。
螺旋桨流场数值模拟与优化设计
螺旋桨流场数值模拟与优化设计螺旋桨是一种重要的船舶推进装置，它的设计和优化对于船舶的性能和效率具有关键作用。
而螺旋桨的性能与其流场密切相关。
为了更好地理解和优化螺旋桨的流场特性，数值模拟成为了一种重要的研究手段。
数值模拟是通过计算机模拟物理或工程现象的数学模型，以获取结果并推导出相应的结论。
在螺旋桨的数值模拟中，常用的方法是计算流体力学（CFD）方法。
CFD方法通过将流体划分成离散的计算单元，并运用守恒方程、流体运动方程和边界条件等基本原理，求解流体的速度、压力和其他相关参数。
首先，通过数值模拟可以获得螺旋桨的流场分布情况。
在数值模拟中，可以设定不同的边界条件和螺旋桨的几何参数，然后求解流场中的速度和压力分布。
通过分析螺旋桨周围的流场，可以了解到绕螺旋桨旋转的流体是如何受到螺旋桨叶片影响的。
这对于螺旋桨的设计和优化有着重要的参考价值。
其次，数值模拟还可以研究螺旋桨的性能参数，如推力、效率等。
在数值模拟中，可以计算螺旋桨叶片的力学特性，进而推导出螺旋桨的推力和效率。
通过改变螺旋桨的几何参数和边界条件，可以优化螺旋桨的设计，以达到更好的推进效果和节能效果。
此外，数值模拟还可以用于研究螺旋桨的噪声和振动特性。
对于大型船舶而言，螺旋桨的噪声和振动是非常重要的问题。
通过数值模拟可以预测和分析螺旋桨产生的噪声和振动，并寻找相应的改进方案。
这不仅可以提高船舶的运行安全性，还能减少对水生生物的干扰。
在数值模拟中，还可以考虑其他因素对螺旋桨性能的影响，如流体的黏性、湍流等。
这些因素都会对螺旋桨的流场分布和性能参数产生影响，因此在模拟中需要进行相应的考虑和分析。
此外，数值模拟还可以结合实验数据和现场观测结果，进行验证和修正，以提高模拟的准确性和可靠性。
总结而言，螺旋桨的流场数值模拟与优化设计在船舶工程领域中具有重要意义。
通过数值模拟，我们可以深入研究螺旋桨的流场特性，优化螺旋桨的设计和性能参数，并研究螺旋桨的噪声和振动特性。
带自由面肥大船粘性绕流场的数值模拟
ＲＧ Ｎ
两 方 程模 式 ， 自由 面 的处 理 采 用 Ｖ Ｆ方法 。数值 计 算 结 果 与 已公 开 试 验 数 据 的 定 量 比较 相 当吻 合 。计 Ｏ
算结 果 的 分 析 表 明 ： 中发 展 的 Ｃ Ｄ计 算 方 法 可 以 满 足 于带 自 由面肥 大 型船 舶 快 速 性 工 程 预 报 的要 求 。 文 Ｆ
Ｖ０ ．２ １１ Ｎｏ １ ． Ｆｅ ２ ０８ ｂ． ０
带 自 由面肥 大 船 粘性 绕 流 场 的数 值 模 拟
黄 少 锋 ，张志 荣 ，赵 峰 ，李 百齐
（ 国船 舶 科 学 研 究 中心 ， 苏 无 锡 ２ ４ ８ ） 中 江 １０ ２ 摘要 ： 采用 直 接 求解 Ｒ Ｎ Ａ Ｓ方 程 的 方 法 对带 自由面 的 肥 大 型 船 舶 的 流场 和 阻力 进行 了数 值计 算 ， 流 模 型 选用 湍
ｐ ｅ ｉ ｔ ｎ ｏ ｈｅ ｐ ｗｅ ｉ ｅ ｆ ｒ ｎｃ ． ｒ ｄ ｃｉ ｆｔ ｏ ｒｎｇ ｐ ｒｏ ｍａ ｅ ｏ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ ｒ ｅ ｕ ａ ｅ ｕ ｌｓ ｉ ；ｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔｏ ；ｈ ｄ ｏ ｙ ａ ｃ ｅ ｏ ｍａ ｃ ｄ ：ｆｅ －ｓ ｒ ｃ ；ｆ ｌ ｈ ｐ ｕ ｒｃ ｌｓｍｕ ａｉ ｎ ｙ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｓｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｆ ｆ
ｎ ｍｅ ｉ ａ ｔ ｏ ｒｖ ｓ ｏ ｓ ｆ ｗ ｆｆ ｌ ｓ ｉ ｔ ｒ ｅ ｓ ｒａ ｅ ｃ ｎ ｓ ｔ ｆ ｈ ｒ ｃ ｓｏ ｅ ｕ ｓ ｆｔ ｅ ｕ ｒ ｌｍｅｈ ｄ ｆ ｉｃ ｕ ｏ ｏ ｕ ｌ ｈ ｐ ｗｉ ｆｅ － ｕ ｃ ａ ａ ｉ ｙ ｔ ｅ ｐ ｅ ｉｉ ｎ ｒ ｑ ｅ ｔｏ ｈ ｃ ｏ ｌ ｈ ｆ ｓ
ｍｅ ｏ ． ｅｎ ｌｓａｅａ ｅＮ ｖｅ－ ｔ ｅ ｑ ａ ｏ ｏｊｎ ｔ ｎｗ ｔ ａＲ Ｇ 尼 ｔｒｕｅｃ ｏ ｅ ｗ ｒ ｔ ｄ Ｒ ｙｏｄ ｖ ｒｇ ａｉｒ Ｓ ｋ ｓｅ ｕｔ ｎｉ ｃｎｕ ｃｉ ｉ Ｎ ｈ ｏ ｉ ｎ ｏ ｈ 一 ｕｂ ｌ ｅｍ ｄｌ ｅｅ ｎ ｓｌ ｄ Ｖ ｌｍｅｏ ｌｉ ｅｈ ｄ（ Ｏ ） ｓ ｅｉ ｄｆｒｔｅｔ ａ ｎ ｆ ｒｅｓｒ ｃ ． ｈ ｏ ｐ ｔ ｅｕｔ ｏ ｅ ， ｏｕ ｆ ｕｄ Ｍ ｔｏ Ｖ Ｆ ｉ ｄ ｖｓ ｅｔ ｔ ｅ ｕ ａｅ Ｔ ｅｃ ｍ ｕｅ ｒｓｌ ｖ Ｆ ｅ ｏ ｈ ｒ ｍｅ ｏ ｆ ｆ ｄ ｓ
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带自由面船体绕流场数值模拟孙荣吴晓光姜治芳吴启锐卢晓晖摘要：本文采用CFD技术模拟了带自由表面船体周围粘性流场，自由表面采用VOF法进行处理。
将计算结果与经验公式估算结果和模型试验结果进行了比较，给出了阻力系数、波高等计算结果，较好地反映了船体兴波情况。
关键词：数值模拟VOF方法带自由表面粘性流动Numerical Simulation of Viscous Flow with Free Surface around Ship Hull Abstract: Numerical simulation of viscous free-surface flow around a ship was carried out by using the commercial software CFX. The VOF method was used for the free surface parisons were made for the calculated resistance coefficients with experimental results and that calculated using semiempirical putational results include wave profile along ship hull and resistence coefficients,etc.Key words: Numerical simulation VOF method Viscous free-surface flow在船舶设计中，对船舶阻力和船体粘性绕流的精确预报是非常重要的。
在船舶阻力方面，一般是将阻力分为彼此独立的两部分——粘性阻力和兴波阻力。
前者是由水的粘性引起，后者因自由面的存在及重力作用而产生。
粘性流动和自由面的计算在很长的时间内是分开考虑的，即用势流理论方法处理自由面，而另外通过求解RANS方程来计算船体的粘性边界层。
在这种分离方法中，忽略了自由面对粘性的影响。
这是由于自由面的存在使得流动计算变得非常困难，因为自由面一方面是求解的必要条件，另一方面其形状和位置并非事先预知，是作为解的一部分由求解过程给出。
随着计算机性能和计算流体动力学的发展，数值模拟成为船舶工程领域一种强有力的研究手段，而如何对绕船体自由面周围粘性流场进行数值模拟，也成为了船舶流体力学领域里具有重要的理论价值和实用意义的研究方向。
本文采用商业软件CFX对绕船体自由面粘性流进行了数值模拟。
对计算结果进行了分析讨论。
1 CFD 模拟1.1 控制方程及湍流模型文中模拟了在静水中以定常速度U 0作匀速直线运动时船体周围的粘性流场，根据相对运动原理，可视船体静止，水流以速度-U 0流向船体。
在定常假设的前提下对N-S 方程进行雷诺平均，假定流体是不可压的，可得流场的连续方程和动量方程为：0=∂∂j jx U （1）i j j i i j j i j i jj i g x u u x U x U x x P x U U ρρνρρ+∂''∂-∂∂+∂∂∂∂+∂∂-=∂∂)()][)(（ （2） 式中，U i 、U j 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；ν为流体运动粘性系数；g i 为重力加速度分量；j i u u ρ-为雷诺应力项。
雷诺应力项计入湍流模型，本文计算中选取标准κ-ε湍流模型来封闭RANS 方程：εσνν-+∂∂+∂∂=∂∂k j k t j jj P x k x x kU ])[()( (3) kc k P c x x x U k j t j j j 221])[()(εεεσννεεεε-+∂∂+∂∂=∂∂ (4) ενμ2k c t = （5） 式中，P k 为湍流动能生成项；νt 为湍流运动粘性系数；ε为湍流耗散率；κ为湍动能。
表1 标准κ-ε湍流模型经验常数表1.2 自由面数值模拟 对绕船体自由面粘性流进行数值模拟时，处理自由面的数值方法有很多，总的来说可以分为三类：界面适应法、界面跟踪法和界面捕捉法。
Hirt 和Nichols 于1981年提出了流体体积方法（VOF ），属于界面捕捉型方法。
该方法通过定义一个流体体积函数F ，用F 来标志每个网格单元的状态，F 的值等于一个单元内流体体积与该单元体积之比。
若F ＝1，则说明该单元全部为指定相流体所占据；若F ＝0，则该单元为无指定相流体单元；当0＜F ＜1时，说明该单元内含有自由表面。
并且F 的梯度方向表示了自由表面的法线方向，由流体的速度场便可确定F 的变化过程，函数),,,(t z y x F 的输运方程为：0)(=∂∂+∂∂F U x t F j j（6） VOF 法用F 函数描述自由表面的变化过程，能够处理变化剧烈的自由表面，如在自由面上的翻转、吞并和飞溅等现象，是目前研究自由表面问题的方法中应用较广泛并且较为理想的方法。
本文采用VOF 法来模拟自由面。
1.3 计算模型用于计算的船体模型主要要素见表2，B 为设计水线宽， T 为吃水，L 为水线长，pp L 为垂线间长。
表2 模型主尺度和船型参数1.4 网格划分考虑到模型的左右对称性，本文取一侧（右舷）进行计算。
计算区域根据设计水线面分为：空气和水两部分。
为避免远方边界条件对近船体流场的干扰，在参考文献[3，4]的基础上，计算区域入口取船体艏部向上游延伸至1倍船长处、出口取艉部向下游延伸至2倍船长处；区域外边界分别是由对称面（船体纵中剖面）向右舷方向、设计水线面向下延伸约0.6倍船长；区域上边界取设计水线面向上约两倍吃水高度处。
网格划分采用ANSYS ICEM CFD 完成，文中采用非结构网格离散空间计算域，由于船体表面比较复杂，在船体边界层区域建立棱柱状网格进行加密。
1.5 边界条件对所有未知变量，合理地给出边界条件是进行模拟计算的必要条件。
计算域的边界条件分为入口、出口、壁面、对称面及开放式边界等。
在入口边界上，来流为均匀流，给定来流速度以及空气和水的体积分数。
在出口边界上，认为流动达到稳定状态，设置流体出口压力值。
在船体壁面处，满足无滑移壁面条件。
在对称面处，采用对称边界。
将与来流方向平行的远方边界设为开放式边界。
2 计算结果及分析本文计算了傅氏数Fr ＝0.3和0.4时船体周围流场的形态（水温12℃）。
（1）阻力系数为了在一定程度上验证模拟计算得到的结果，将CFX 计算得到的粘性阻力系数计算νC 与经验公式估算的粘性阻力系数公式νC 、计算得到的总阻力系数计算t C 与试验结果试验t C 进行比较，比较结果见表3、4。
其中公式νC 由摩擦阻力系数f C 和粘压阻力系数p C ν相加得到： f C 按Prandtl-Schlichting 公式计算， p C ν按巴甫米尔公式计算(详见参考文献[6])。
表3 由公式估算的粘性阻力系数与计算值比较表表4 粘性阻力及总阻力比较表由表3可见粘性阻力模拟计算值与公式估算值较为接近。
表4中兴波阻力系数w C 由总阻力计算值扣除粘性阻力估算值得到，可以看出随着航速的提高，兴波阻力占总阻力的比重随之增加，这与兴波阻力占总阻力的比重随航速增加的变化规律是一致的。
而考虑自由面影响的总阻力计算值与试验值有偏差。
造成偏差的原因可能涉及到网格布置的疏密度、边界条件以及湍流模型等[6]。
因此有待于通过在这些方面加以改进，如加密近船体区域的网格来更准确地捕捉流场流动特性等，从而进一步缩小其偏差。
（2）波高分布图1 船侧波高分布图1为Fr ＝0.3时船侧波高计算值。
图中反映了船艏、船舯及船艉处的波峰位置及波高。
与参考文献[4]比较，波高沿船长的分布规律较为一致。
（3）速度矢量图图2与图3为Fr ＝0.3时的船艏附近速度矢量分布情况，其中图2为考虑自由表面兴波情况、图3为无自由表面叠合模模拟结果。
图3中仅在舭部附近存在涡，而图2与图3相比，另外还在自由表面处有涡存在，反映了自由表面对流场的影响。
因此考虑自由面的粘性流场模拟更能合理地反映实际情况。
图4 船体艏部速度矢量图图4为Fr＝0.4时船体艏部速度矢量图，可以清楚地看到艏部的速度变化和流场中的细节。
3 结语带有自由表面的非稳态不可压粘性流体流动问题的求解，具有广泛的工程背景。
采用CFD技术模拟带自由面粘性流场，从而进行船舶初步设计中的船型选优和快速性验证，不失为一种提高研究开发效率的实用途径。
本文正是利用商用软件对带自由面粘性流动进行模拟，采用VOF法处理自由面，将粘性流动和自由面联合考虑，并将模拟结果与经验公式估算结果和模型试验结果进行比较，较真实地反映了船体兴波情况。
参考文献：1 张健，方杰，范波芹.VOF方法理论与应用综述[J].水利水电科技进展，2005，25（2）：67-70.2 QI Peng,HOU Yijun.A VOF-based numerical model for breaking waves in surf zone[J].ChineseJournal of Oceanology and Limnology,2006,24（1）：57-64.3 GAO Qiuxin.Numerical Simulation of Free Surface Flow around Ship Hull[J].Journal of ShipMechanics,2002,6（3）：1-13.4 Zhang Zhirong,Zhao Feng,LI Baiqi.Numerical Calculation of Viscous Free-Surface Flow AboutShip Hull[J]. Journal of Ship Mechanics,2002,6（6）：10-16.5 张怀新，刘应中，缪国平.带自由面三维船体周围粘性流场的数值模拟[J].上海交通大学学报，2001，35（10）：1429-1432.6 李云波，陈康，黄德波.三体船粘性阻力计算与计算方法比较[J].水动力学研究与进展，2005，20（4）：452-457.7 吴维武，吴家鸣.水动力计算中自由表面处理的研究方法简介[J].广东造船，2006（3）：16-19.8 张志荣，赵峰，李百齐. κ-ω湍流模式在船舶粘性流场计算中的应用[J].船舶力学，2003,7（1）：33-37.。