基于CFD軟件的三維船體粘性流的數值模擬

摘要：利用商業CFD計算軟件FLUENT，在不考慮自由液面情況下，對某低速肥大型船進行粘性流數值模擬，得到在不同傅氏數下的船體摩擦阻力系數及船體周圍流場信息，通過把數值模擬計算的摩擦阻力系數和經驗公式相比較，驗證了FLUENT用于預報三維船體摩擦阻力的有效性，所得到的船體周圍的流場信息可以為線型的優化提供一定的參考數據。

關鍵詞：三維船體；粘性流場；摩擦阻力；FLUENT

Numerical Simulation of Viscous Flow around Three-Dimensional Hull by CFD

HUANG Li

(CSSC Guangzhou Longxue Shipbuilding co.， Ltd. Guangzhou 511462)

Abstract: By using CFD software FLUENT， without considering the free surface， numerical simulation of viscous flow is made for a low-speed full form to obtain friction resistance coefficients under different Fround number and flow field information around hull. After comparing the friction resistance coefficients with ITTC formula， it is proved that the frictional resistance coefficients are consistent with the ITTC formula， the numerical calculation method is effective and the obtained flow field information around hull could provide reference data for optimization of ship line.

Key words: Three-Dimensional hull; Friction Resistance; Viscous Flow; FLUENT

計算流體力學（CFD，Computational Fluid Dynamics）是一門用數值計算方法直接求解流動主控方程(Eluer或Navier-Stokes方程)以發現各種流動現象的規律的學科，在船舶阻力性能、推進性能、操縱性能及波浪中的運動等方面有著重要的發展和積極的應用，已經成為船舶型線設計及優化的新興手段，在國外得到廣泛應用。它與以往先制作船模、再進行水池試驗相比，船型開發的時間和費用可以大幅度下降，還有利于更好地提高所開發船型的性能，大大減少對船模試驗水池的依賴。

對于低速肥大船型，由于其線型豐滿、濕表面積大、傅氏數低，粘性阻力在總阻力中所占比例很大，從而粘性阻力的大小是影響船舶快速性的主要因素。本文的粘性數值模擬是應用商業CFD軟件FLUENT，對某低速肥大船，在不考慮自由液面情況下，進行數值模擬計算，分析船體周圍流動，并將計算結果與ITTC摩擦阻力系數公式比較，驗證數值計算的正確性和有效性。

1模型的建立與網格劃分

本文的船舶模型由GAMBIT軟件生成。GAMBIT軟件是面向CFD幾何建模的網格生成軟件，由于不考慮自由面的影響，船體是左右對稱的，因此只需要對半個船體進行建模，根據型線圖所建三維實體模型圖如圖1所示（為了便于顯示，已將模型鏡像對稱來顯示整個船體）。

網格劃分就是將計算區域離散化。計算網格是流動控制方程數值離散的基礎，它在很大程度上決定了流場數值解的精度，網格類型以及網格數量對計算結果的精度有很大影響，本文的計算模型采用分塊畫網格，船體周圍為非結構化網格，其余區域為結構化網格，網格數為92萬，無負面積、體積的網格，邊長比在5以內，最大等角傾斜率為0.81，計算域和網格劃分如圖2所示。

2數值計算方法與結果分析

2.1數值計算方法

本文采用商業CFD 計算軟件FLUENT 進行粘性數值模擬，計算船舶粘性阻力問題假設遠前方均勻來流流過重疊的船模，來流水是粘性不可壓縮的，考慮重疊模周圍流動的對稱性和流動分離的三維特性，邊界條件設置為：入口邊界為均勻速度入口，出口邊界設為outflow，船體表面設置為不可滑移的壁面條件，邊界層域和遠場域的公共面設為inter face 面，其他邊界面設置為對稱面。

本文選取了k-ε湍流模型，對動量、湍動能的離散均采用二階迎風格式，壓力離散采用STANDARD格式，壓力速度耦合采用SIMPLEC方式。

2.2結果及分析

2.2.1數值計算結果

本文的計算狀態分別為傅氏數Fn=0.121 6，0.130 6， 0.139 6，0.148 6，0.157 6，計算所得的摩擦阻力系數與第八屆ITTC推薦的平板公式計算結果的比較見表1，第八屆ITTC推薦的平板公式:

從表1可以看出，用FLUENT軟件計算得到的摩擦阻力系數和經驗公式值比較接近，其相對誤差=(平板公式一計算結果)/平板公式)都在2%以內，由此可見數值模擬的準確性。

2.2.2流場信息

圖3為傅氏數為0.130 6時的船體表面壓力分布情況（仰視），顏色標記為靜壓（Pa），以大氣壓為參考壓力.

圖4為船舶周圍流體的速度矢量圖，可見在船首，橫向速度比較大，橫向速度使得在首部產生舭渦，從而導致了首部出現低壓力區域。但如果首部低壓區過大，會造成船舶的埋首現象，從而導致額外的阻力增加。

圖5給出了船尾的流線圖，從圖中可以看出，往船尾方向，流線間的間距變大，并且往兩側流動，尾部流線存在一定的分離現象。

3結論

本文利用商業軟件FLUENT，通過選取合適的湍流模式、計算參數，較好的模擬了船舶的粘性流動，得到的摩擦阻力系數與ITTC公式接（下轉第頁）（上接第頁）

近，驗證了數值計算的正確性；并且能夠豐富、清晰的顯示該船的流動細節，比如流線情況、船體壓力分布情況等等，這些都是上述水池試驗所不能得到的。這些可為該船的進一步改型提供幫助。

參考文獻

[1]許 輝， 鄒早建. 基于FLUENT 軟件的小水線面雙體船粘性流數值模擬[ J] . 武漢理工大學學報，2004( 2) : 8-10.

[2]周志勇.CFD 在船型優化中的應用[J];船舶設計通訊， 2005(2) : 82-84.

[3]王福軍. 計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M]北京: 清華大學出版社，2004

[4]謝玲玲，陳順懷，吳靜萍.應用FLUENT軟件優化船舶阻力性能[J].華中科技大學學報，2009，37.(6)

[5]CHANG Huai-xin，Liu Ying-zhong，Miao Guoping. Numerical Simulation of Three-dimensional Viscous Flow with Free Surface about a ship[J].Journal of Ship Mechanics，2003(6):33-39.