二維船型CFD的阻力評估

諸葛奕東

【摘 要】隨著船舶行業(yè)的迅猛發(fā)展，對于船舶阻力方面的研究越來越引起學者們的重視。另一方面，關于船舶減阻的研究也到了廣泛地關注。本文基于FLUENT軟件對二維船型進行了阻力特性研究。首先通過FLUENT前處理軟件GAMBIT軟件進行建模，然后劃分網(wǎng)格后，將劃分網(wǎng)格后的生成mesh文件，最后在FLUENT中進行數(shù)值計算。

【關鍵詞】阻力；建模；FLUENT；數(shù)值計算

0 引言

船舶阻力是影響船舶快速性的重要內(nèi)容之一。阻力性能良好的船舶可以提高運輸效率，節(jié)約能源，也直接關系到船舶的經(jīng)濟性能。船舶阻力性能評估是船型優(yōu)化的重要依據(jù)。研究船舶航行中的阻力問題對改善船舶快速性具有重大作用。經(jīng)過多年的發(fā)展，關于船舶阻力研究的手段和方法越來越多，內(nèi)容越來越深入，準確性越來越高，其對船舶設計和建造的貢獻也越來越突出。準確的阻力評估可以有效地為后期的工作提供很大的便利。

1 GAMBIT和Fluent簡介

GAMBIT軟件是面向CFD的專業(yè)前處理器軟件，它包含全面的幾何建模能力 ，具有靈活方便的幾何修正功能，當從接口中導入幾何時會自動的合并重合的點、線、面；具有功能強大的網(wǎng)格劃分工具，可以劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格。GAMBIT中專有的網(wǎng)格劃分算法可以保證在較為復雜的幾何區(qū)域可以直接劃分出高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW、NEKTON、ANSYS等求解器所需要的網(wǎng)格。

FLUENT是用于模擬具有復雜外形的物體周圍流體流動以及熱傳導的計算機程序。它提供了靈活的網(wǎng)格形狀，你可以使用非結構網(wǎng)格以縮短產(chǎn)生網(wǎng)格所需要的時間。初始網(wǎng)格可以使用GAMIT等前處理軟件進行。在流場的大梯度區(qū)域，為了非常準確的預測流動，自適應網(wǎng)格是非常有用的。與結構網(wǎng)格和塊結構網(wǎng)格相比，這一特點很明顯地減少了產(chǎn)生“好”網(wǎng)格所需要的時間。對于給定精度，解適應細化方法使網(wǎng)格變得很簡單，并且減少了計算量。Fluent主要應用于以下一些方面：航空航天、汽車、船舶與海洋工程、機械等，其為工業(yè)流動模擬求解。對于模擬復雜流場結構的不可壓縮、可壓縮流動來說，fluent是很理想的軟件。

2 問題描述

船體高H=2m，船底長L=10m。船艏與水平線夾角α=45°；船頭裝有長為a=1m的壓浪板，壓浪板與水線夾角為β=30°。若船體單位寬度上重為G=mg=17.5×103×9.81kg并以V=18km/h=5m/s勻速行駛在平靜的河水里，試研究此船舶的行駛過程和行駛阻力。

水的物理參數(shù)：密度ρ=1000kg/m3，動力黏度μ=1.7894×10-5Pa·s

空氣的物理參量：密度ρ=1.225kg/m3，動力黏度μ=1.7894×10-5Pa·s

3 模型建立

在船體附近創(chuàng)建一個相對較小的流域，其本意一是便于船體附近網(wǎng)格的加密，因為流動參數(shù)在這一區(qū)域的梯度較大；二是便于調(diào)整船體的升高或降低，當然，當水較深時也可通過調(diào)整水線位置來調(diào)整船體的升高或降低。

另外，值得說明的是本文中沒有考慮船體的縱傾角，即假設船體保持水平狀態(tài)；另外也沒考慮船舶的動力系統(tǒng)問題。

4 網(wǎng)格劃分

在形成封閉的流體域后就可以進行網(wǎng)格劃分了，劃分網(wǎng)格是前處理過程中最困難的部分，網(wǎng)格單元劃分的好壞不僅決定了求解是否準確，還決定了求解時間的長短。先后創(chuàng)建網(wǎng)格點分布，面網(wǎng)格，再創(chuàng)建外圍流域，緊接著就是網(wǎng)格劃分。劃分好的網(wǎng)格如圖1。

5 FLUENT數(shù)值計算

通過GAMIT建模劃分網(wǎng)格后，生成mesh文件，導入FLUENT中進行設置并計算。

圖1 計算流域網(wǎng)格圖

按照如下步驟進行求解計算，計算結果如下圖所示。

圖2 阻力殘差曲線

圖3 船體升力信息

從以上阻力殘差曲線以及船體升力信息可以看出，流動已經(jīng)基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結論

本文以某二維船型為例，在FLUENT軟件中進行了模擬計算，獲得了較好的理論計算值。這主要歸功于良好的自由面網(wǎng)格劃分。隨著CFD的發(fā)展，可對此類二維船型問題采用CFD技術進行進一步地模擬求解。

【參考文獻】

[1]余建偉.基于CFD的船舶阻力計算與預報研究[D].上海：上海海事大學，2009.

[2]張楊.基于FLUENT的多體船阻力研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[3]倪崇本.一種基于 CFD 的船舶總阻力預報方法[D].上海：上海海事大學，2010.

[4]王言英.基于阻力性能船體型線精細優(yōu)化的CFD方法[D].大連：大連理工大學，2002.

[5]劉超.基于FLUENT 的CFD方法在船海工程中的實用性研究[D].大連：大連理工大學，2012.

[責任編輯：湯靜]