基于CFD的船舶阻力預報方法分析

范超 張振

摘 要：在船舶行駛運輸的過程中，船舶阻力是影響船舶速度的主要因素，船舶阻力性能優越不但可以提高船舶的運輸效率，可以大大的節約運輸成本，提高船舶的經濟性能，同時對船舶的行駛安全和使用壽命都有較大的影響。船舶阻力性能的評估一直是船舶整體性能優化的重要依據，阻力的預報也是船舶工程長期研究的重要內容之一，在研究過程中中，通過分析船舶阻力的形成因素和預報手段最終總結出了通過CFD理論進行阻力預報的方法，而該方法在船舶阻力預報中已經長時間得到廣泛應用，本文首先闡述了CFD船舶阻力預報方法的應用現狀，然后分析了CFD的船舶阻力預報方法的優缺點，最后總結了CFD理論在船舶行業的發展目標和方向。

關鍵詞：船舶阻力；預報方法；CFD理論計算

引言：在船舶整體運行當中最重要的性能就是阻力，船舶阻力的計算與預報一直是船舶工程發展當中所重點關注的內容，將對船舶的行駛效率、運輸安全性和使用壽命產生一定的影響，現階段船舶阻預報還是主要靠模擬實驗來計算，通過模擬實驗來進行預報，其精確度還是比較理想的，但是船模實驗也并非是完美的，在實際操作當中還是存在著缺陷，隨著計算機的發展，計算流體力學逐漸興起，也逐漸被應用與船舶工程當中，而CDF的船舶阻力預報作為一種新型的計算方法，為現階段船舶工程的發展做出了極大的貢獻，其具有廣闊的發展前景。

一、目前CFD的發展現狀

近幾年，隨著國內科技的快速發展與創新，計算機技術的不斷成熟，計算流體力學也得到了進一步發展，由于CFD計算船舶阻力的方法具有費用低廉，沒有觸點流場測量，沒有比尺效應，同時有效排除了實驗中由傳感器的形態以及實驗器材發生形變等不良因素對整體預報結果產生的影響，由于CDF的預報模式最終得到的整體實驗數據相對清晰、全面，因此該預報方法近年來得到了船舶工程及相關產業的高度重視，在船舶生產、使用、維護的整體過程中的應用也越發廣泛。在船舶流體力學當中不可壓縮流動占據著主導地位，面對不可壓縮流動，壓力就顯示不出明顯的方程，這對于CFD技術的精確度有很大的挑戰，同時船舶在運行當中還會引起自由表面問題，這兩大問題也在對現在的CFD技術提出更高的技術水平要求。而如何將CFD方法更好的應用于船舶產業等問題，成為了世界各國的研究焦點，也更加體現出了船舶的CFD阻力預報技術的適用性和應用價值。在船舶工程領域當中，船舶CFD阻力預報技術的出現有效提高了船舶的形勢效率和使用壽命，很大程度上降低了設計的成本和周期，提高產品性能的一種有利工具，在這一項技術上的深入研究一定會使船舶工程領域得到更加快速的發展。

二、基于CFD的船舶阻力預報方法的優缺點

2.1基于CFD的船舶阻力預報方法的優越性

過去采用的船舶阻力預報大多采用模型試驗的手段，該過程的實驗原理和操作手段雖然有很高的還原性和重現性，但是世界各地運輸區域的地理、環境等多方面因素存在較大差異，同時實驗水平和技術條件也都參差不齊，這就使得不同實驗條件得到的最終預報結果出現的較大的差異，即使是同一個船體模型，但是遇到不同的船池也會出現不同的形狀。目前來看，各種理論的計算方法在船舶性能的計算上面各有利弊，要想真正準確的還原、重現實際環境存在較大難度，為了有效解決這一難題，CFD船舶阻力預報方法也應運而生，該技術較傳統的理論計算存在很強的優越性，通過CFD計算船體的形狀因子，由于CFD的計算當中不存在自由面的影響，所以不會由于船體阻力加大而影響其測量值，在者相對來說，CFD的阻力預報效率和準確性得到了有效保證，因此CFD理論計算在船舶工程當中得到了廣泛的應用。

2.2基于CFD的船舶阻力預報方法的局限性

CFD作為一種預報船體阻力的新型計算方式，其在船舶的性能研究領域當中已起到了重要的作用，也有著非常好的發展前景，但是在目前研究領域當中，CFD計算船體阻力的方法與預算還是存在著一定的難處，由于實際尺度船體繞流場的計算模擬網絡數量非常龐大，這樣龐大的數據在小型計算機工作站當中很難進行計算，雖然在模型尺度下可以采用湍流粘性理論模擬計算，這樣的計算結果與模型試驗的結果比較相似，但是模擬計算所用的時間較長，太耗時，雖然理想流體理論模擬計算所得到的結果不夠準確，但是由于其耗時較短，并且也能預測出自由面的形狀，所以在船舶工程當中被廣泛應用。

三、CFD在船舶行業的發展目標和方向

現階段，我國對CFD的研究以及發展在理論研究方面與國外的研究進展情況相當，但是在CFD技術軟件化程度和商業上的運用，乃至在工程當中的應用程度還與國外有著較大的差距，尤其是在船舶工程領域當中CFD技術的應用程度遠遠不夠，如果我國不采取一定的措施來進行進步，那么在這一技術領域的差距不僅不能緩解還會越來越大，那么這種情況的發生勢必會對我國的船舶工程領域造成一定的影響。那么現在最緊要的就是加快對CFD船舶計算的各種技術的突破研究，對模型與實船的實驗結果與數據內容進行更好的完善，對數字模型與方程進行進一步完善，改善數字計算的方法，逐漸擴大CFD在船舶工程當中的應用范圍，加強實驗的驗證手法的方式，達到兩者有效結合。加快建設CFD的船舶設計構架，對已有的CFD技術在船舶領域的運用進行完善，使得船舶的設計理念和模式得到了極大的轉變和發展，大大提升船舶工程領域的先進技術，降低了船舶領域的設計成本，這是船舶領域CFD技術發展的主要目標。

綜上所述，隨著電子計算機的不斷發展，船舶CFD技術也在不斷進步，船舶CFD技術的應用能夠提高船舶阻力預報設計的質量與設計時間，大大降低了應用成本，所以在現階段得到了廣泛應用，船舶CFD的長期目標就是要替代傳統的船模實驗，為船舶阻力性能預報提供一個精確的模擬工具，同時CFD的手段不單單可以應用于船舶阻力預報，換可以根據運行時的各種周邊環境的變化對船舶的外型、性能和行駛速度等方面進行分析和預報，隨著現今社會網絡信息等高科技技術的快速發展，CFD技術必將會在船舶工程中得到更加廣泛的運用，做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]鄭小龍，黃勝，尚秀敏.基于CFD的船舶阻力預報方法研究[J].江蘇科技大學學報（自然科學版），2014，28（02）

[2]倪崇本. 基于CFD的船舶阻力性能綜合研究[D].上海交通大學，2011.

[3]余建偉. 基于CFD的船舶阻力計算與預報研究[D].上海交通大學，2009.

[4]倪崇本，朱仁傳，繆國平，范佘明.一種基于CFD的船舶總阻力預報方法[J].水動力學研究與進展A輯，2010，25（05）