基于STAR-CCM+的滑行艇阻力研究

孫志遠 鄒 勁 談果戈 張元剛

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱150001）

基于STAR-CCM+的滑行艇阻力研究

孫志遠 鄒 勁 談果戈 張元剛

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱150001）

為研究滑行艇的航行阻力問題，首先建立滑行艇的幾何模型，然后基于STAR-CCM+軟件對其運動進行數(shù)值模擬。獲得滑行艇航行時阻力隨航速的變化規(guī)律，并將數(shù)值計算結(jié)果與試驗值進行比較，得到的計算結(jié)果與試驗值數(shù)據(jù)基本吻合。證明了在STAR-CCM+中能夠有效模擬滑行艇運動的阻力性能，該方法對于文中的實例具有較高的準確性，可為滑行艇阻力的預報提供參考。

滑行艇；數(shù)值模擬；阻力；STAR-CCM+軟件

引 言

滑行艇是依靠航行時艇體產(chǎn)生的流體動壓力支托大部分艇體質(zhì)量的高速艇，因快速性、操縱性等優(yōu)良的水動力性能得到廣泛應用，對于其船型的研究也成為國內(nèi)外學者重點研究的領(lǐng)域［1］。然而，對滑行艇水動力性能的研究較困難，通常是通過船模試驗和理論近似公式估算來完成；但對于船舶的水動力性能，目前主要還是依靠船模試驗得到的數(shù)據(jù)來進行研究。船模試驗按照相似理論以一定的縮尺比制作船模，然后在試驗水池模擬實船的運動。船模試驗是預報船舶阻力較為準確的方法，但是船模試驗往往受到模型尺寸、流場擾動和測量精度等限制，有時候很難通過試驗方法得到準確結(jié)果［2］。近年來流行的CFD數(shù)值模擬技術(shù)可以有效估算船舶的水動力性能，Alban Leroyer等［3］運用CFD軟件，采用基于VOF 波和基于多相流的RANS求解器研究了某高速船自由液面的變化情況；倪崇本等利用動網(wǎng)格對高速船和INSEAN2340標模的阻力進行計算［4-5］，獲得較好的模擬效果。本文基于STAR-CCM+的軟件平臺對不同傅汝德數(shù)下的滑行艇開展數(shù)值計算，通過對比試驗值，證實CFD 方法在解決高速滑行艇的表面水動力計算問題上具有一定的可靠性，從而使自由船模拖曳的模擬成為可能。

1 船型參數(shù)與數(shù)值方法

1.1 船型簡介

本文研究的滑行艇船體形狀如圖1所示，滑行艇船模具體參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

1.2 CFD數(shù)值計算方法

從N-S方程（Navier-Stokes）方程出發(fā)對滑行艇的粘性流場進行模擬，采用RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程方法求解N-S方程，

其連續(xù)性方程和動量方程如下［6］：

式中：ui、uj為速度分量時，均值（i、j = 1，2，3）；P 為壓力時均值；ρ為流體密度；μ 為動力粘性系數(shù)；ρuiuj為雷諾應力項，上劃線表示對物理量取時間平均。選用SST湍流模型封閉RANS方程，k的輸運方程為：

ω的輸運方程為：

式中：Gk和Gω代表平均速度梯度所引起的湍流動能；Yk和Yω則表示關(guān)于k和ω的湍流耗散項。自由液面處，對自由表面的捕捉使用目前最為廣泛的VOF［7］模型。

1.3 計算方案

計算域的建立：

考慮到船舶的直航運動以及船體嚴格的對稱性，為減小計算量又不影響精度，只對半船模型進行數(shù)值模擬。為保證計算域中進、出口處流動均為定常狀態(tài)，距船首前1.5倍船長處設置為入口，距船尾后3.5倍船長處設置為出口。同時，將計算域分為內(nèi)域與外域，船體周圍設置船體加密內(nèi)域，其余部分屬于外域，如圖2所示。

流場控制域的范圍，邊界條件設置如下：入口為來流的速度；出口壓力分布為指定靜壓；對稱面為對稱邊界條件；船體表面設置為不可滑移壁面；其他壁面設置為滑移壁面。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是 CFD 模擬過程中較為耗時的環(huán)節(jié)，也是直接影響模擬精度和效率的關(guān)鍵因素之一。高質(zhì)量的網(wǎng)格是實現(xiàn)數(shù)值模擬成功的首要條件。過疏或過密的網(wǎng)格都會極大地影響計算結(jié)果［8］。體網(wǎng)格形式使用切割體網(wǎng)格，對自由液面、艇體周圍的體網(wǎng)格進行局部加密設置，網(wǎng)格劃分情況見圖3。經(jīng)觀察，船體表面網(wǎng)格對船體形狀的捕捉良好。最終，包含半個船體的計算域網(wǎng)格總數(shù)為86萬個。

2 數(shù)值計算結(jié)果與船模試驗對比分析

滑行艇隨著航速的提高，船舶的航態(tài)會因流動支持力的比重不同而發(fā)生變化。滑行艇的吃水和水線長度隨航速的變化而改變，通常用和船舶重量相關(guān)的容積傅汝德數(shù)表示船的相對速度。

式中：V為滑行艇航速，m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；為靜止時排水體積，m3。

2.1 船模阻力試驗

滑行艇的模型實驗采用拖曳法測試，并記錄了船模阻力、垂蕩和縱傾角等參數(shù)。圖4為在試驗中Fn = 4.06時的滑行艇運動情況。

2.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

本文基于上述數(shù)值算法和網(wǎng)格劃分方法，分別在9個傅汝德數(shù)下，對滑行艇的阻力、垂蕩以及縱傾角等數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬與模型試驗結(jié)果進行對比分析，阻力計算結(jié)果見表2。

表2 計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比N

在STAR-CCM+平臺上，通過對不同傅汝德數(shù)狀態(tài)下的滑行艇直航運動進行數(shù)值模擬，把數(shù)值模擬的結(jié)果和試驗值繪制成圖，如下頁圖5—圖7所示。

由圖5和圖6可以看出，數(shù)值計算對于滑行艇縱傾角和垂蕩的模擬和試驗值較為接近，趨勢比較一致，精度較高。由圖7可以看出，數(shù)值模擬計算的阻力值與試驗值整體吻合較好且趨勢相同，隨著體積傅汝德數(shù)的增加，阻力計算值與試驗值誤差逐漸增大，但是阻力計算值在高速下的誤差也僅為13.81%，能夠滿足工程的需要。因此認為應用STAR-CCM+軟件對滑行艇進行阻力預報是可行的，有一定的準確性。

本文應用STAR-CCM+軟件對于滑行艇在靜水中航行時的流場情況進行數(shù)值模擬，取FnΔ= 4.06時的船舶流場進行分析，數(shù)值模擬的船底壓力分布和自由表面波形分別如圖8和圖9所示。

數(shù)值模擬結(jié)果和試驗的現(xiàn)象比較吻合。對于高傅汝德數(shù)下船底動壓力，自由表面的興波能夠捕捉準確，能夠清晰地呈現(xiàn)滑行艇產(chǎn)生的飛濺和激尾流。

3 結(jié) 論

本文利用數(shù)值手段對滑行艇模型的水動力特性進行研究，數(shù)值方法可以較好地實現(xiàn)滑行艇運動模擬，不同傅汝德數(shù)下的垂蕩、縱傾和阻力值具有明顯的變化趨勢，且與試驗值趨勢相同，誤差在工程應用標準的范圍內(nèi)，總體上基本滿足工程需要。然而，當傅汝德數(shù)值較高時，數(shù)值模擬的阻力計算值與試驗值相比偏低，在后續(xù)研究中有必要對影響滑行艇數(shù)值模擬的一些因素作進一步分析。

［1］韓翔希，趙成璧，唐友宏，等.高速船航態(tài)模擬與阻力預報CFD方法應用［J］. 科學技術(shù)與工程， 2013（13）： 176-6183.

［2］王福軍.計算流體動力學分析［M］. 北京：清華大學出版社， 2004.

［3］Leroyer A，Wackers J．Queutey P，et al. Numerical strategies to speed up CFD computations with free surface—application to the dynamic equilibrium of hulls［J］．Ocean Engineering，2011（17-18） ： 2070- 2076．

［4］倪崇本，朱仁傳，繆國平，等. 計及航行姿態(tài)變化的高速多體船阻力［J］.水動力學研究與進展，2011（1）：101-107.

［5］YAO Chao bang，DONG Wen cai.Method to calculate resistance of high-speed displacement ship taking the effect of dynamics sinkage and trim and fluid viscosity into account［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University（Science），2012（4）：421-426.

［6］約翰D安德森［美］．計算流體力學基礎(chǔ)及其應用［M］．吳頌平，劉趙淼，譯．北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［7］Hirt C W，Nichols B D.Volume of fluid （VOF） method for the dynamics of free boundaries ［J］.Journal of Computional Physics . 1981，39（1），201-225.

［8］Su Yu-min，Chen Qing-tong， Shen Hai-long，et al. Numerical simulation of a planing vessel at high speed［J］. Journal of Marine Science and Application. 2012（11）：178-183.

海洋工程總裝研發(fā)設計國家工程實驗室正式成立

4月25日，海洋工程總裝研發(fā)設計國家工程實驗室在上海成立并召開了第一屆理事會第一次會議。中船集團黨組成員、副總經(jīng)理孫偉出席并致辭，來自上海市發(fā)改委、上海市科技黨委、中船集團科技部以及相關(guān)科研院所、企業(yè)、高校、船級社等近20余家單位代表共同見證了這一時刻。該實驗室由中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）聯(lián)合中國國際海運集裝箱（集團）股份有限公司、上海外高橋造船有限公司、上海船廠船舶有限公司、滬東中華造船（集團）有限公司、中船黃埔文沖船舶有限公司、廣船國際有限公司、上海船舶工藝研究所、上海交通大學、哈爾濱工程大學、中國船級社、四川宏華石油設備有限公司、上海利策科技股份有限公司等共12家單位共同申報，于2016年6月獲得國家發(fā)展和改革委員會正式批復，集合了我國海洋工程行業(yè)內(nèi)從基礎(chǔ)研究、研發(fā)設計、系統(tǒng)集成到總裝建設的各優(yōu)勢單位，是集全行業(yè)之力打造的國家級高水平海洋工程總裝研發(fā)設計創(chuàng)新平臺。

該實驗室成立后，將針對我國海洋工程裝備前期設計核心技術(shù)短板、總裝建造技術(shù)不強等問題，面向深海資源開發(fā)、極地資源開發(fā)、礦產(chǎn)資源開發(fā)和深水海洋保障等四大領(lǐng)域的迫切需求，圍繞海洋工程裝備總體技術(shù)領(lǐng)域和前瞻性技術(shù)發(fā)展趨勢，突破裝備的總體研發(fā)設計技術(shù)、試驗驗證技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和并行協(xié)同設計技術(shù)等十大共性關(guān)鍵技術(shù)，建設海洋工程研發(fā)設計與總裝建造示范平臺，支撐開展新一代鉆井平臺、深水半潛式生產(chǎn)平臺、極地鉆井船、大洋鉆探船和超大型半潛船等十大裝備技術(shù)、工藝和裝備的研發(fā)、系統(tǒng)集成和工程化，培養(yǎng)一批高水平海工裝備的工程技術(shù)創(chuàng)新人才，促進重大科技成果應用，逐步完善海工裝備設計技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系，全面形成深海、極地油氣開采裝備、礦產(chǎn)開采裝備、海上保障裝備的自主設計能力，為做大做強海工裝備制造業(yè)提供全方位的技術(shù)支撐。

海工裝備是新興產(chǎn)業(yè)和高端制造業(yè)的重要組成部分。近年來，我國海工裝備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得了長足的進步和發(fā)展，“海洋石油981”半潛式鉆井平臺、GM D90型半潛平臺、“海洋石油117”FPSO、“海洋石油720”十二纜物探船、Tiger型鉆井船、液化天然氣船、“新光華”號半潛船、1.4萬千瓦海洋救助船等一批重點海工裝備都是工程實驗室組成單位通力合作的成功典范，也是踐行上海市科創(chuàng)中心建設的重要載體，對推動我國海工裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

在實驗室成立之前，相繼召開了第一屆理事會第一次會議，成立技術(shù)委員會，組建五個分實驗室并制定未來三年的發(fā)展規(guī)劃。理事會會議推舉MARIC院長邢文華擔任理事長。今后，實驗室將圍繞國家重大戰(zhàn)略任務、重點工程對裝備研制的迫切需求，逐步形成一批重點裝備的自主設計建造和配套能力，提升企業(yè)持續(xù)創(chuàng)新能力，為推動我國海工裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和上海科創(chuàng)中心建設作出貢獻。

Resistance research of planing vessel based on STAR-CCM+

SUN Zhi-yuan ZOU Jin TAN Guo-ge ZHANG Yuan-gang
(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The geometric model of the planing vessel is first established to calculate its resistance. Then, the motion of the planing vessel is numerically simulated based on STAR-CCM+ to get the law of the resistance varying with the speed. Finally, the calculation results are found to be in agreement with the experimental data by comparison between each other. It is proved that the resistance of the plaining vessel can be simulated effectively by STAR-CCM+. The method has high accuracy for the cases in the paper, providing reference for the prediction of the resistance of planing vessels.

planing vessel; numerical simulation; resistance; STAR-CCM+

U661.31+1

A

1001-9855（2017）03-0016-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.016

國家自然科學基金（51509055）。

2016-11-21；

2016-12-06

孫志遠（1991-），男，碩士。研究方向：高性能船舶技術(shù)。

鄒 勁（1965-），男，博士，研究員。研究方向：高性能船舶。

談果戈（1992-），男，碩士。研究方向：船舶水動力學。

張元剛（1992-），男，碩士。研究方向：艦船總體設計。