參數化船型的阻力計算

朱芳艷

(武漢理工大學 交通學院，武漢430063)

船型阻力分析能夠為實際船舶設計提供理論基礎，對設計性能良好的船舶具有重要指導意義。本文通過CAD軟件生成參數化的幾何模型，并對其提取型值，應用到CFD軟件中進行計算。以標準計算船舶模型KCS作為研究對象，通過在FRIENDSHIP平臺中構建該船型，并應用FRIENDSHIP平臺輸出計算幾何模型，供SHIPFLOW進行CFD阻力數值計算，從而實現CAD與CFD的結合，為基于CFD的船型優化設計打下基礎。

1 KCS船型建立

KCS船型其各種數據及阻力拖曳實驗結果均在Gothenburg 2000和Tokyo 2005會議資料中公布［1］。表1給出了KCS船型的主尺度。計算中采用縮尺比為31.6的模型，以便與實驗結果進行對比。

表1 KCS船型主尺度

采用FRIENDSHIP軟件建立KCS船型的幾何模型。它是完全基于特征形狀曲線的參數化建模，通過定義一些參數化的特征曲線和參數曲線即可創建一個參數化的船體曲面模型，其建模基本思想［2-3］是:首先構建控制主要幾何特征的特征曲線和相關參數曲線，如側面輪廓線、甲板線、設計水線、外飄角曲線等;并定義橫剖線的曲線特征(feature)和曲線引擎(curve engine)，然后由這些特征曲線和剖線生成器生成光順橫剖線，最后利用蒙面法將這些橫剖線通過曲面生成對象(meta surface)生成光順曲面。在FRIENDSHIP中船型參數化建模過程見圖1。

圖1 船型參數化建模過程示意

對船體曲面建模時，通常先從船體中間開始或者最大橫剖面處開始，然后向船體曲面的兩端方向延伸建模。因為KCS船型沒有平行中體，所以可以從船型最大橫剖面處開始向船體曲面的艏艉構建曲面。構建船體曲面時，為了適應船體曲面的變化以及建模方便，需將船體曲面劃分成如圖2所示幾個曲面來分別建模。

圖2 建模時船體曲面劃分示意

在船型參數化建模中，特征參數與特征曲線的配置直接影響船體幾何形狀是船型參數化設計最重要的環節。在該船型的參數化建模時，建立如圖3所示的特征參數曲線，包括橫剖面面積曲線SacCurve、甲板邊線deckCurve、平側線fos、甲板外飄線flareAtDeck、平底線fob等。

圖3 特征參數曲線

根據Feature中儲存的模板，曲線引擎在基線范圍內任意位置生成截面，從而獲得每個曲面的截面形狀，得出關于曲面的完整數學描述。然后曲面生成對象在給定域中調用曲線引擎，將光順的基線和截面自動生成光順的曲面，無需進一步手動光順。由于該曲面是完全采用參數描述，所以能很好地適應系統性變形。建模完成后，整個船體的橫剖線圖見圖4。

圖4 船體橫剖線圖

2 CAD與CFD的數值計算接口技術

因為SHIPFLOW軟件不具備直接生成船體的功能，需要一個型值文件(offset data)來實現幾何模型變換，從而生成網格用于計算，這就需要對兩個軟件的接口問題進行研究。

利用FRIENDSHIP平臺，生成相應的幾何模型，然后由中間的接口生成器把幾何模型轉換輸出滿足CFD計算所需的數學模型，最后通過CFD計算相應的船舶阻力性能［4］。

2.1 編程實現型值數據的自動提取

1)自動化提取船體幾何型值數據。將整個船體模型分成四部分來考慮:船艏模型、船體主體模型、船艉模型和球尾模型。對船體曲面做橫剖線，并根據SHIPFLOW計算型值曲線的特點，提取這四部分型值。編寫Feature來實現船體幾何型值數據的自動提取。將Feature提取的四部分曲面的型值分別命名為Bulb、Hull、Stern、Boss，其特 征 位 置 參 數 為 xTransom、xbossTip、XFp、XbulbTip、bulbTipElevation、surfacegroup，它們在船型中的對應位置見圖5。

圖5 提取型值時曲面劃分示意

2)創建型值文件。設置好Feature中相關參數，并將這些型值數據合并，按照型值文件的數據格式，重新生成SHIPFLOW所需要的型值文件(Offset Data)。型值文件所產生的型值側視圖見圖6。圖7為船舶艏艉部型值放大后的示意圖。將型值文件導入到SHIPFLOW中，實現幾何模型變換，從而生成網格用于阻力數值計算。

3 CFD計算分析

3.1 CFD計算原理

選用SHIPFLOW進行阻力計算。SHIPFLOW將流場劃分為三個區域(見圖8)，其區域劃分及每個區域使用的數值方法如下［5-6］。

圖8 船體周圍的流場域

1)勢流區，采用高階面元法進行計算。高階面元法用大量的二次曲面或任意階曲面面元將物體表面離散，面元上的源強采呈線性分布或其它函數(如樣條函數)分布。高階面元法能更準確的反應物體表面幾何形狀，計算精確度更高。

2)薄邊界層區，使用基于積分法邊界層方法計算船體前部及中部的邊界層。積分法依據動量微分方程沿邊界層厚度上積分，使用勢流壓力分布作為初始輸入參數。通過船體邊界層的計算，可以得到前部2/3的船體上的摩擦阻力。

3)湍流區，使用RANS方程求解。RANS方程解的邊界條件由前面的勢流和邊界層計算結果獲得。數值方法采用有限體積法，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法。求解RANS方程時選用EASM湍流模型。

3.2 興波阻力計算

計算KCS船模在不同航速狀態下的興波阻力，然后對比計算結果與實驗數據，從而考查參數化模型是否適用于CFD數值模擬。

基于勢流理論的興波阻力計算，其計算精度與流場特性在很大程度上取決于網格質量。在設計航速狀態(Fr=0.26，Re=1.4×107)下，船體表面和自由液面網格如圖9所示，計算結果見表2。

圖9 KCS的船體表面和自由液面網格示意

表2 KCS船的興波阻力計算結果

船體自由升沉和縱傾狀態下的波高等值線分布、船體表面波形對比和在船側y/Lpp=-0.150 9處波形對比見圖10～12，其中圖11、12的實線代表阻力拖曳實驗結果。

從圖11可見，與實驗數據相比，沿著船體大部分的波形與實驗較吻合，船艏艉部分的波形與實驗結果有點偏差。

3.3 粘性阻力計算

采用1/4圓柱形計算域，半徑為1.5倍船長，軸向從船中延伸至船艉后0.8倍船長。網格數為160×70×100(軸向網格數×周向網格數×徑向網格數)。

計算結果與實驗數據的比較見表3。

表3 KCS船的粘性阻力計算結果

圖13 總阻力系數結果對比

圖13 為總阻力系數結果對比圖。從圖13可見，總阻力的數值模擬結果與模型試驗結果變化趨勢一致，但存在一定誤差。計算時將粘性阻力和興波阻力分別計算的。在計算興波阻力時，不考慮粘性的作用，把流體當作理想流體，而在計算粘性阻力時，忽略自由液面的影響。而在實際流動中，粘性和興波一般是同時存在并相互耦合的。船舶周圍流場的計算必須同時考慮自由液面和粘性的影響。結果表明基于參數化建模的FRIENDSHIP軟件所創建的幾何模型具有很好可靠度，該數值計算方法對船舶阻力的初步預報是可行的，能夠為實際船舶設計提供理論基礎，對設計性能良好的船舶具有重要指導意義。

4 結論

本文建立完全參數化幾何模型，計算其阻力，實現了CFD和CAD的結合。數值結果表明該參數化船型適用于CFD數值模擬，反映了總阻力變化趨勢，但其精度方面與工程要求還有一定差距，因此，對于船體周圍流場計算，還應對邊界條件的處理和計算方法的改進進行深入的研究，使其更加完善并早日投入船型優化設計應用。

［1］倪崇本，朱仁傳，繆國平，等.一種基于CFD船舶總阻力預報方法［J］.水動力學研究與進展，2010，25(A):579-586.

［2］張 萍，冷文浩，朱德祥，等.船型參數化建模［J］.船舶力學，2009，13(1):47-54.

［3］劉祖源，馮佰威，詹成勝.船體型線多學科設計優化［M］.北京:國防工業出版社，2010，38-50.

［4］CLAUS ABT，STEFAN HARRIES.A new approach to integration of CAD and CFD for naval architects［C］∥International Conference on Computer Applications and Information Technology in the Maritime Industries，COMPIT07，2007:467-479.

［5］LARSSON L，STERN F，BERTRAM V.Benchmarking of computational fluid dynamics for ship flows:The gothenburg 2000 workshop［J］.Journal of Ship Research，2003(1):63-81.

［6］徐 力，陳作鋼.基于Rankine源法的船體艏部優化［C］∥第二十三屆全國水動力學研討會暨第十屆全國水動力學學術會議文集，2011:503-513.