基于SHIPFLOW的散貨船阻力預(yù)報(bào)分析

杜敏 何珍 田中文 伍蓉暉

摘 要：本文利用SHIPFLOW軟件對某中低速靈便型散貨船進(jìn)行船模尺度下的阻力預(yù)報(bào)分析，提出SHIPFLOW適用于中低速肥大型方尾散貨船阻力預(yù)報(bào)的計(jì)算模式及改善尾部網(wǎng)格質(zhì)量、提高計(jì)算精度的方法。將阻力的CFD模擬結(jié)果與船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明CFD阻力預(yù)報(bào)誤差基本控制在±3%范圍以內(nèi)，滿足工程精度要求，驗(yàn)證了SHIPFLOW對散貨船阻力預(yù)報(bào)的適用性，為后續(xù)方案優(yōu)選論證提供保障。

關(guān)鍵詞：中低速肥大型散貨船；方尾；SHIPFLOW；阻力預(yù)報(bào)；計(jì)算精度

中圖分類號：U661.32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： In this paper， the resistance predictions are carried out at model scale of the medium and low speed handy-size bulk carrier by utilizing the CFD software SHIPFLOW. The appropriate methods are implemented to numerically simulate resistance coefficients of the full block bulk carrier with transom stern at relative low speed and the ways of improving the stern grid quality in terms of transom stern flow to ensure the accuracy of the numerical results are proposed. By comparison with the experimental data， the deviation could be controlled below 3%， satisfying the engineering requirement. Therefore， the feasibility of the numerical prediction method based on SHIPFLOW was validated， which provides a guarantee for the stage of design optimization and demonstration to ensure its results.

Key words： Medium and low speed full block bulk carrier； Transom stern； SHIPFLOW； Resistance prediction； Computational accuracy

1 引言

目前，隨著計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）相關(guān)理論的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷升級，船舶CFD得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。其中，將船舶專用流體計(jì)算軟件SHIPFLOW與船型參數(shù)化軟件CAESES相結(jié)合進(jìn)行多方案阻力預(yù)報(bào)，已成為船型設(shè)計(jì)及前期優(yōu)化階段廣泛采用的作法。大量研究表明，SHIPFLOW的勢流/粘流求解器能夠快速有效地預(yù)估船體阻力等性能。但目前的研究大都集中于方形系數(shù)CB小于0.8的中高速細(xì)長船型方面，對于SHIPFLOW在中低速肥大船型阻力預(yù)報(bào)方面的適用性研究較少。

本文利用SHIPFLOW軟件對某中低速靈便型散貨船進(jìn)行船模尺度下多速度點(diǎn)的阻力預(yù)報(bào)分析，研究計(jì)算方法的適用性，并通過提升尾部網(wǎng)格質(zhì)量的方法來改善計(jì)算精度，保障阻力預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

2 計(jì)算原理

利用SHIPFLOW進(jìn)行船舶阻力預(yù)報(bào)，按RANS粘流計(jì)算區(qū)域的劃分進(jìn)行分類，主要包括兩種計(jì)算模式：軟件默認(rèn)的分區(qū)域ZONAL算法（僅尾部基于RANS計(jì)算粘流）和全船采用RANS計(jì)算粘流的GLOBAL算法。

如圖1所示：（1）ZONAL分區(qū)域算法，將流場劃分為勢流區(qū)、邊界層區(qū)和粘流區(qū)三個區(qū)域。針對不同的阻力成分采用對應(yīng)的理論模型、計(jì)算原理和網(wǎng)格劃分方式，從而大大縮短了模擬周期。其中，區(qū)域一為外圍勢流區(qū)，采用非線性勢流理論計(jì)算興波阻力，船體和自由液面采用面元網(wǎng)格，對應(yīng)軟件的XPAN模塊；區(qū)域二為船首至船舯的邊界層流場，基于邊界層理論計(jì)算船體的摩擦阻力，對應(yīng)軟件的XBOUND模塊；區(qū)域三為船舯至船尾的粘流區(qū)域，采用結(jié)構(gòu)化體網(wǎng)格，通過有限體積法結(jié)合k ? ω SST或EASM湍流模型求解RANS方程，計(jì)算船體的摩擦阻力和粘壓阻力等，對應(yīng)XCHAP模塊；（2）GLOBAL算法，在全船范圍內(nèi)進(jìn)行粘流計(jì)算，求解RANS方程（如圖2所示）。該算法對計(jì)算設(shè)備的要求較高、運(yùn)算周期較長，但某種程度上可以提高計(jì)算精度。

3 數(shù)值計(jì)算與分析

3.1 計(jì)算模型

本文選用某一方形系數(shù)CB=0.87的靈便型散貨船作為計(jì)算模型，分別在設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)下進(jìn)行船模尺度下多速度點(diǎn)（Fn=0.137～0.186）的阻力預(yù)報(bào)分析。

3.2 網(wǎng)格劃分設(shè)置

SHIPFLOW可以自動劃分網(wǎng)格，根據(jù)勢流、粘流計(jì)算的特點(diǎn)，采用兩種網(wǎng)格生成器：XMESH面元網(wǎng)格生成器和XGRID結(jié)構(gòu)化體網(wǎng)格生成器.對于網(wǎng)格的尺寸，軟件提供了三種參考模式，便于用戶快速設(shè)置網(wǎng)格。目前，有關(guān)SHIPFLOW網(wǎng)格劃分對計(jì)算精度的影響已有較多研究成果，網(wǎng)格質(zhì)量可以滿足計(jì)算精度要求，因此本文后續(xù)計(jì)算均采用軟件自動生成的fine網(wǎng)格。

如圖3所示，對于方尾船型的浸水尾封板，在較低速時(shí)尾封板浸沒高度較大，此時(shí)對應(yīng)的尾流為靜水流；隨著航速增大，當(dāng)相對傅汝德數(shù)Fntr>3時(shí)，尾部的水流具有足夠的動能克服粘性影響，從而使自由面脫離尾封板下邊界，此時(shí)為干尾封板。Fntr表達(dá)式為：

通過計(jì)算不同航速對應(yīng)的，發(fā)現(xiàn)僅在設(shè)計(jì)吃水下的相對高速點(diǎn)Fn=0.186時(shí)需要設(shè)置干尾封板。計(jì)算發(fā)現(xiàn)設(shè)置Transom后，收斂問題變得復(fù)雜，需要進(jìn)行一系列收斂性測試才能得到較好的結(jié)果。

3.3 數(shù)值分析

SHIPFLOW利用XPAN模塊進(jìn)行勢流計(jì)算得到興波阻力，其表達(dá)方式有兩種：壓力積分法和橫切波法。其中，橫切波法對網(wǎng)格質(zhì)量的敏感性相對較低[2]，因此本文采用橫切波法表達(dá)興波阻力。總的水阻力系數(shù)Ctwtwc等于興波阻力系數(shù)Ctwtwc、粘壓阻力系數(shù)CPV及摩擦阻力系數(shù)Cf之和：

3.3.1 計(jì)算方法分析

本文分別選用ZONAL法和GLOBAL法對設(shè)計(jì)吃水下對應(yīng)的多個速度點(diǎn)進(jìn)行阻力預(yù)報(bào)，得到總的水阻力系數(shù)及其精度的變化曲線，如圖4所示。其中，精度表達(dá)式為：

由圖5分析可知：

（1）兩種算法預(yù)報(bào)的阻力系數(shù)曲線與船模試驗(yàn)值的變化趨勢基本一致；

（2）GLOBAL算法的計(jì)算值略高于試驗(yàn)值，誤差A(yù)Ctwtwc小于2.5%，滿足工程精度要求；ZONAL算法的計(jì)算值遠(yuǎn)低于試驗(yàn)值，誤差超過5%，不滿足工程精度要求；

（3）相較于ZONAL算法僅對船體后半部進(jìn)行RANS粘流計(jì)算，GLOBAL算法對全船進(jìn)行RANS粘流計(jì)算，粘性阻力預(yù)報(bào)更精確，計(jì)算值更接近試驗(yàn)值；

（4）大量研究表明：對于中高速細(xì)長船型的阻力預(yù)報(bào)，SHIPFLOW常用的ZONAL算法能夠滿足精度要求；但對于散貨船等中低速肥大船型，采用ZONAL算法預(yù)報(bào)阻力已無法滿足工程精度要求，因此在對阻力預(yù)報(bào)精度要求較高時(shí)，推薦采用能夠充分考慮全船RANS粘流計(jì)算的GLOBAL算法。

3.3.2 尾部網(wǎng)格改善設(shè)置

根據(jù)公式（4）：隨著船速增加，興波阻力將急劇增大。因此，對于低速散貨船，由于興波阻力所占比例很小，主要為粘性阻力，故想通過調(diào)整網(wǎng)格等方式來改變摩擦阻力的精度意義不大；粘性阻力計(jì)算精度受浸水尾封板周圍的網(wǎng)格質(zhì)量影響較大。對于低速方尾船浸水尾封板的網(wǎng)格處理，SHIPFLOW默認(rèn)的網(wǎng)格劃分方式為自由面網(wǎng)格會強(qiáng)制接近尾封板的邊界，尾部網(wǎng)格質(zhì)量較差，此時(shí)可通過添加濕尾封板（簡稱Wtran）填補(bǔ)尾封板與尾流自由面之間的區(qū)域，保證網(wǎng)格自尾封板邊界至尾流自由液面之間能夠光滑過渡，生成較為真實(shí)的浸水尾封板形狀，同時(shí)加密其周圍的貼體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，從而改善尾部網(wǎng)格質(zhì)量，保證在進(jìn)行粘流計(jì)算XCHAP時(shí)能夠較為精確地計(jì)算粘壓阻力。

基于上文分析，本文后續(xù)研究均采用GLOBAL算法，并且除了Fn=0.186時(shí)需要設(shè)置干尾封板，其余速度點(diǎn)均添加濕尾封板。通過計(jì)算得到尾部網(wǎng)格改善前后各阻力系數(shù)及其精度的變化曲線，如圖5、圖6所示。

通過分析可知：

（1）通過添加Wtran網(wǎng)格所示，摩擦阻力系數(shù)Cf幾乎沒有變化，粘壓阻力系數(shù)CPv變化很大，減小了約7%左右，粘壓阻力計(jì)算更加合理；

（2）添加Wtran改善尾部網(wǎng)格后，總水阻力系數(shù)的計(jì)算值仍與試驗(yàn)值的變化趨勢基本一致，且計(jì)算值有所減小，誤差大多在±1%范圍內(nèi)，僅在Fn=0.174時(shí)誤差絕對值變大，整體優(yōu)化效果明顯；

（3）當(dāng)Fn=0.174時(shí)，添加Wtran導(dǎo)致誤差絕對值變大。分析原因：當(dāng)Fn=0.186時(shí)，尾部水流已具備足夠的能量可以完全脫離尾封板，需添加Transom保證尾封板處于干燥狀態(tài)；在Fn=0.174的相對高速點(diǎn)，出現(xiàn)部分水質(zhì)點(diǎn)脫離尾板的現(xiàn)象，因此尾板的實(shí)際浸沒面積減小，此時(shí)若添加Wtran反而會降低計(jì)算精度。

綜上所述，對于低速方尾船型，當(dāng)尾封板的浸沒面積較大時(shí)，可通過添加Wtran網(wǎng)格來改善尾部網(wǎng)格質(zhì)量，從而提高粘壓阻力計(jì)算精度；在相對高速點(diǎn)，考慮到尾流分離現(xiàn)象，可適當(dāng)添加Transom。

3.3.3結(jié)構(gòu)吃水下總阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

基于上文結(jié)論，采用GLOBAL算法對結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)下的總阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，所有速度點(diǎn)均設(shè)置Wtran，得到總阻力系數(shù)及精度的變化曲線，如圖7所示。

比較Wtran添加前后的計(jì)算結(jié)果可知：在結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)下，添加Wtran后，總阻力系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值的曲線變化趨勢較為一致，且計(jì)算值低于試驗(yàn)值；當(dāng)Fn≤0.161時(shí)，誤差<2%；當(dāng)Fn>0.161時(shí)，計(jì)算值逐漸變大。

對尾部網(wǎng)格設(shè)置進(jìn)行修正，僅在Fn≤0.161的低速點(diǎn)添加Wtran，得到總阻力系數(shù)及精度變化曲線，如圖8所示：預(yù)報(bào)值更接近試驗(yàn)值，在低速點(diǎn)誤差低于2%，僅在相對高速點(diǎn)誤差較大，但誤差絕對值仍小于3%，整體預(yù)報(bào)結(jié)果較穩(wěn)定，滿足精度要求。

4 結(jié)論

（1）無論是設(shè)計(jì)吃水還是結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)，采用GLOBAL算法得到的總阻力系數(shù)的誤差均在±3%范圍以內(nèi)，證明利用SHIPFLOW軟件對中低速肥大型散貨船進(jìn)行阻力預(yù)報(bào)是可行的；

（2）對于中低速方尾船型，可通過以下方法改善阻力預(yù)報(bào)精度：在低速點(diǎn)設(shè)置濕尾封板對尾部網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行改善；在相對高速點(diǎn)考慮尾流分離的影響，適當(dāng)添加干尾封板；

（3）對于SHIPFLOW提供的兩種阻力預(yù)報(bào)算法：ZONAL算法雖然精度欠佳，但模擬速度快、阻力預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)值的變化趨勢較為一致，可用于方案優(yōu)化初期階段的多方案阻力快速預(yù)報(bào)，迅速鎖定優(yōu)化目標(biāo)范圍；GLOBAL算法雖然用時(shí)較長，但計(jì)算精度較高，可保障方案優(yōu)選論證結(jié)果的準(zhǔn)確性。二者相結(jié)合，可在保障計(jì)算精度的前提下，提升整體優(yōu)化速度。

參考文獻(xiàn)

[1]盧雨，胡安康，尹遜濱等. 基于 SHIPFLOW 的某大型集裝箱船阻力預(yù) 報(bào)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].中國造船， 2016，57（2）.

[2]陳偉，許輝， 邱遼原等.基于SHIPFLOW軟件的方尾艦船阻力快速預(yù) 報(bào)[J].中國艦船研究， 2012， 7（4）.

[3]陳紅梅，蔡榮泉. 勢流計(jì)算在船舶型線優(yōu)化改型中的適用性研究[J]. 船舶工程， 2012， 34（增2）.

[4] Mierlo K J. Trend Validation of SHIPFLOW Based on the Bare Hull Upright Resistance of the Delft Series [D]. Netherlands： Delft University of Technology， 2006.

[5]J He， H Chen， H Yu， etc. Resistance Optimization of a Cruise Ship Using a Hybrid Approach [J]. The 27th International Ocean and Polar Engineering Conference， 2017.

[6] Prasanta K. Sahoo， Lawrence J Doctors， etc. CFD Prediction of the Wave Resistance of a Catamaran [J]. MAHY 2006：International Conference on Marine Hydrodynamics，2006.

[7]方昭昭，趙丙乾，陳慶任等.基于CFD的雙尾船型阻力數(shù)值預(yù)報(bào)[J]. 中國艦船研究，2014， 9（4）.

[8] FLOWTECH. SHIPFLOW6.3 Users Manual[M]. Gothenburg， Sweden， 2017： 8-9，46.

[9] Xchap Theoretical Manual [M]. Gothenburg， Sweden， 2007.

[10]H.C. Raven. A Solution Method for the Nonlinear Ship Wave Resistance Problem [D]. Netherlands：Delft University of Technology， 1996.

[11] SHIPFLOW Design Tutorials Basic [M]. Gothenburg， Sweden， 2017.