基于NUMECA的中高速艇阻力預報研究

賴海清 方先進 李明敏 何江賢

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院 廣州510250）

基于NUMECA的中高速艇阻力預報研究

賴海清 方先進 李明敏 何江賢

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院 廣州510250）

船舶阻力預報及水動力性能分析具有廣泛的應用背景。文章結(jié)合現(xiàn)有的資料和試驗數(shù)據(jù)，利用強大的CFD軟件FINE/Marine對某中高速艇進行了阻力預報，計算表明，該方法能取得良好的精度，并可以清晰直觀地顯示流場的各種細節(jié)，形成一套適用于中高速艇的快速有效、切實可行的阻力預報方法。此外，研究了附體及其他船型參數(shù)對船舶阻力性能的影響，并進行了阻力性能影響分析，具有一定的實用意義。

FINE/Marine仿真平臺；船舶阻力；附體

引 言

對民用船舶而言，快速性的優(yōu)劣將在一定程度上影響船舶的使用性和經(jīng)濟性；對軍用艦艇，快速性與提高艦艇的戰(zhàn)斗力和生命力密切相關(guān)［1］。船舶快速性的主要影響因素是船舶阻力，為此，如何快速預報船舶航行阻力顯得至關(guān)重要。

隨著計算機技術(shù)和 CFD 軟件的快速發(fā)展，未來船舶航行性能的確定，在很大程度上將依賴于在“虛擬水上試驗” 數(shù)據(jù)［2］。FINE/Marine 是 NUMECA公司為船舶與海洋工程打造的專業(yè) CFD 軟件包，對于船舶工程問題的模擬，都可以通過其界面方便地設(shè)置，而無需工程師通過二次開發(fā)功能來實現(xiàn)。該軟件為工程師的應用提供極大的便捷，并且高度自動化的全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格制作也使船舶工程師受益匪淺。

本文結(jié)合現(xiàn)有經(jīng)驗和試驗資料，采用FINE/ Marine對300～500噸級的中高速艇船型，開展適用于中高速艇（Fr為0.3～0.8）的阻力預報方法研究，并將預報結(jié)果與船模水池試驗結(jié)果進行比較，驗證了該方法的可靠性；同時，在裸船體上增加壓浪板、舭龍骨、舵、軸支架等附體，探討了附體對總阻力的影響，并分析了浮心位置、尾封板寬度及折角線長度對阻力的影響，為今后的船型優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)值計算

1.1 理論基礎(chǔ)

船舶航行時速度較低（馬赫數(shù)Ma一般小于0.3），因此周圍的流動一般看作不可壓縮流動。粘性不可壓的流體的流動的基本方程包括連續(xù)性方程和動量守恒方程，其方程如下：

式中：ux、uy、uz分別為X、Y、Z 三個方向的速度分量，m/s；t為時間，s；ρ為密度，kg/m3。

動量守恒通常又被稱為Naiver-Stokes方程（簡稱“N-S方程”）：

式中：P為流體微元上的壓強，Pa；τxx、τxy、τxz是作用在微元體表面上的粘性應力τ的分量，Pa；fx、fy、fz為3個方向的單位質(zhì)量力， m/s2。

FINE/Marine求解器ISIS-CFD具有豐富的湍流模型，包括 Spalart-Allmaras模型、Wilcoxk-w模型、SST k-w模型、雷諾應力模型、 EASM-k-w模型、DES模型，用戶可以根據(jù)計算需要選擇不同的模型。為進一步提高湍流模擬的精度，F(xiàn)INE/Marine還為湍流模型提供了壁面函數(shù)及旋轉(zhuǎn)修正。本文采用的是SST k-ω模型［3］，自由液面處理采用的是自由液面捕捉法。該方法與自由液面追蹤法相比，靈活性和適應性更好，可較好地處理破碎波等復雜的自由液面，并且由于采用了可壓縮性的離散格式，故減少了自由液面的數(shù)值耗散問題。

1.2 預報流程

1.2.1 模型前期處理

首先，在專業(yè)船舶建模軟件Maxsurf中建立船體外殼模型，然后在UG或Rhinoceros中，對模型進行封閉完善，并生成體模型（因為FINE/Marine對Maxsurf這類軟件導出的igs面無法識別，因此需在三維建模軟件中進行封閉，并定義為體模型），得到FINE/Marine可識別讀取的三維模型。

1.2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

利用C-Wizard模塊將處理好的船體模型文件導入FINE/Marine，激活模塊中的阻力計算功能。為提高計算精度，注意勾選Trim和Sinkage（即考慮船體的升沉和縱搖運動的影響），輸入所需計算的航速及設(shè)計吃水，隨后進行網(wǎng)格劃分。

FINE/Marine采用國際上最先進的由體到面的網(wǎng)格生成方式，將復雜模型計算域的網(wǎng)格生成簡化為僅需使用者選擇幾個參數(shù)和進行幾個操作步驟的過程，在很大程度上顛覆了傳統(tǒng)網(wǎng)格劃分工具（如Gridgen、 ICEM 等軟件）的網(wǎng)格劃分方式，實現(xiàn)了粘性網(wǎng)格技術(shù)、高度自動化技術(shù)和復雜外形的適用性技術(shù)等幾大非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)優(yōu)勢的結(jié)合。

網(wǎng)格劃分方法為：

（1）生成初始網(wǎng)格。將計算域外部邊界圍成的區(qū)域均勻劃分成初始網(wǎng)格。

（2）網(wǎng)格適應。按曲率、間隙、目標網(wǎng)格單元尺寸等準則在需加密的地方自動細化網(wǎng)格，并刪除與計算域邊界相交和位于計算域外的所有網(wǎng)格單元。

（3）吸附和優(yōu)化。將適應后的網(wǎng)格投影到模型外形上，并自動吸附到所有的角點和棱邊上，生成貼體網(wǎng)格，并優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量。

（4）插入邊界層網(wǎng)格。將緊鄰物面的一層網(wǎng)格進行拆分細化成若干層網(wǎng)格，快速生成邊界層網(wǎng)格。在上述操作中，通過設(shè)置適當?shù)膮?shù)，對較復雜計算域快速生成較高質(zhì)量的全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

1.2.3 計算及后處理

網(wǎng)格劃分后，將設(shè)定船的排水量及重心位置，其坐標原點也與導入船體的坐標原點保持一致。時間步長及時間步的設(shè)定需注意：時間步過小則浪費計算資源，時間步過大則無法保證計算精確度，時間步長一般應保證流體經(jīng)過特征長度（船長）有100個時間步長，這樣既保證精度又能合理利用計算資源。最后采用多核來并行計算，對多個任務(wù)進行排序。當完成一個模型計算后，不需要人工干預，便可自動進入下一模型的計算。計算完成后通過計算監(jiān)控器檢查計算是否收斂（阻力監(jiān)視曲線達到平穩(wěn)狀態(tài)即為收斂），并選取最后20 ～30 s的數(shù)據(jù)進行數(shù)值平均，便可得出本船航行阻力［4］。打開CFView后處理模塊進行后處理，還可以獲得船舶表面的壓力分布、流線、自由液面波高等結(jié)果。

2 阻力性能研究

2.1 數(shù)值驗證

結(jié)合我院在某300 t公務(wù)艇項目中積累的試驗資料，采用FINE/Marine對該艇裸船體和加裝附體的船體模型進行計算，并與試驗結(jié)果進行驗證。該公務(wù)艇采用圓舭轉(zhuǎn)折角船型，主要參數(shù)見表1。

表1 300 t公務(wù)艇主要參數(shù)

本計算依據(jù)該艇模型試驗時的試驗環(huán)境進行建模和邊界條件設(shè)置（包括船體模型大小、計算域尺寸、水溫、重心位置等），并結(jié)合中高速船航行特點，對自由液面位置的網(wǎng)格進行特殊處理；同時考慮到計算域的對稱性，為節(jié)省計算資源，按半船進行建模、網(wǎng)格劃分和計算研究［5］。本計算均按縮尺比為1 : 11.862進行傅汝德數(shù)換算后再進行阻力計算，裸船體網(wǎng)格的數(shù)量約為750 000個、時間步長約為0.02 s、計算時長約為60 s，模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 模型及網(wǎng)格劃分圖

2.1.1 裸船體阻力驗證

裸船體模型阻力計算結(jié)果與模型試驗對比參見下頁表2與圖2。

表2 裸船體模型阻力計算結(jié)果與模型試驗對比表

圖2 裸船體模型阻力計算結(jié)果與模型試驗對比圖

由表2和圖2對比可知：裸船體阻力預報結(jié)果與試驗結(jié)果的平均誤差約4%，且誤差隨著航速增加而越來越小。這是由于計算模型與試驗模型的流體保持一致，主要的區(qū)別則在于船體表面的粗糙度。在低航速段，摩擦阻力占總阻力的大部分，而計算模型與試驗模型的粗糙度差別較大，因而相對誤差較大；隨著航速的增加，粘性阻力占總阻力的成分越來越大，粗糙度的影響也就越來越小，因而相對誤差也越來越小。

2.1.2 加裝附體的船體阻力驗證

在該艇裸船體模型基礎(chǔ)上增加附體模型，增加的附體有舵、軸和軸支架。所有附體均采用UG建模，整個計算網(wǎng)格數(shù)量約80萬個，計算時長約為60 s。結(jié)合該艇帶附體正浮模型試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，結(jié)果如圖3所示。

圖3 附體模型及網(wǎng)格放大圖

表3 全附體模型阻力計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果對比表

對比可得：加裝附體的船體阻力預報結(jié)果與試驗結(jié)果平均誤差在1%左右；設(shè)計航速（32 kn）處的誤差小于1%。船舶自由液面尾跡流見下頁圖4。

圖4 自由液面尾跡流對比圖

由此，可得出如下結(jié)論：

（1）裸船體模型預報平均誤差約4%，全附體模型預報誤差約1%，預報值基本低于模型試驗值，可滿足工程應用需要。

（2）全附體模型阻力預報精度要高于裸船體模型。加裝附體后，考慮到附體與主船體間 、附體與附體間及粘性阻力與興波阻力間的耦合影響，粘壓阻力與船體尾部的形狀和后部縱向壓力梯度關(guān)系較大。從圖4可以看出，裸模型在主體后半段的波高大于全附體模型主體后半段波高。從壓力的觀點來看，裸船體模型首尾壓力差小于全附體模型的首尾壓力差。這一變化會增加全附體模型所受的興波阻力，而加裝附體會導致粘壓阻力占大部分，從而間接減輕了粗糙度的影響，故阻力誤差較?。?］。

2.2 阻力性能影響分析

為進一步研究本船的阻力性能，運用Maxsurf軟件改變該艇的浮心位置、尾封板的寬度以及折角線的長度，再導入FINE/Marine分別進行中高速阻力計算，對阻力性能進行分析。

2.2.1 浮心位置的影響

保持該艇外形不變，在Maxsurf中通過調(diào)整船內(nèi)的壓載使浮心位置向船首和船尾分別移動2%。調(diào)整前后的浮心位置見表4。

表4 調(diào)整前后的浮心位置m

導入FINE/Marine進行阻力計算，不同航速下 阻力數(shù)據(jù)見表5。

表5 LCB變化阻力對比表

由表5的對比數(shù)據(jù)可知：當航速為16 kn時，阻力隨著浮心位置后移而減??；而當航速大于16 kn時，設(shè)計狀態(tài)的浮心位置得出的阻力性能最優(yōu)?？偟膩碚f，在中航速段（16～24 kn），浮心位置向船的首尾移動后的阻力變化較大；在高航速段（28～32 kn）， 浮心位置的變化以及阻力變化范圍都在2%以內(nèi)，對本船阻力的影響較小，而浮心位置尾移比首移后阻力明顯增加?？紤]到該艇的設(shè)計航速為32 kn，在該航速下，設(shè)計狀態(tài)的浮心位置得出的本船阻力性能最優(yōu)。

2.2.2 尾封板的寬度影響

將尾封板寬度增大和減小3%，對比所帶來的阻力影響（見表6）。

表6 尾封板變化阻力對比表

由表6中的阻力對比可知，無論是中航速段或者高航速段，改變尾封板后的阻力變化范圍都在2%以內(nèi)，對本船的總阻力影響并不大。因此，通過改變尾封板的寬度來進行阻力性能優(yōu)化，其效果并不明顯。

2.2.3 折角線長度影響

將計算模型在圓舭（折角線長度為0）、圓舭轉(zhuǎn)折角（折角線占30%水線長度）和全折角線型（折角線長度占整個水線長）三種形式下的阻力進行對比，模型變化折角線變化見圖5—圖7。表7為折角線長度變化阻力對比。

圖5 圓舭型

圖6 圓舭轉(zhuǎn)折角型

圖7 全折角線型

表7 折角線長度變化阻力對比表

為更直觀顯示折角線長度變化產(chǎn)生的阻力影響，將不同航速的阻力做成折線圖，如圖8所示。

圖8 折角線長度阻力對比曲線

由表7和圖8不同折角線長度的阻力值對比可得：當航速小于20 kn時，折角線長度越短，本船的阻力也越??；當航速大于20 kn時，圓舭轉(zhuǎn)折角型的阻力均小于圓舭型和全折角型的阻力?？紤]到本船的設(shè)計航速為32 kn，因而本船設(shè)計的圓舭轉(zhuǎn)折角型將使本船的阻力達到最優(yōu)化。

3 結(jié) 論

在船舶阻力研究方法中，CFD法具有精度高、成本低、周期短等優(yōu)點，是未來船舶性能研究的主要發(fā)展方向。本文利用FINE/Marine軟件對中高速船型進行阻力預報，形成適用于中高速艇卓有成效的阻力預報方法——首先介紹CFD方法在船舶阻力預報的應用背景及理論基礎(chǔ)；然后系統(tǒng)闡述FINE/Marine軟件的基本操作流程及注意事項；最后結(jié)合已有經(jīng)驗資料及船型數(shù)據(jù)，對中高速艇進行阻力性能預報，通過與水池試驗數(shù)據(jù)對比，獲得良好的精度，同時還探討了附體及型寬、尾封板長度及折角線長度對船舶阻力的水動力性能影響。結(jié)果表明：在高航速段（28～32 kn），浮心位置的變化對中高速艇阻力影響較?。辉谥泻剿俣危?6～24 kn），浮心位置向船首尾移動后的阻力變化較大；通過改變尾封板的寬度對船舶阻力性能效果并不明顯；對于不同航速段，不同折角線長度對阻力影響有所區(qū)別。

由此可見，在設(shè)計此類船型時，應根據(jù)設(shè)計航速選擇合適的折角線長度。

［1］ 周芃.基于CFD的高速艦船與尾部伴流場的數(shù)值模擬［D］. 中國艦船研究院，2013.

［2］ 賈力平，康順.基于FINE/Marine的跨介質(zhì)航行器數(shù)值模擬［J］.計算機輔助工程，2011（9）：99-101.

［3］ 謝云平，彭言峰，彭鵬.基于CFD的高速排水型圓舭折角船型剩余阻力系數(shù)分析研究［J］.船舶工程，2015（2）：55-61.

［4］ 朱芳艷. 船模自航試驗數(shù)值模擬［D］. 武漢：武漢理工大學，2013.

［5］ 張楠，楊仁友，沈泓萃，等.數(shù)值拖曳水池與潛艇快速性CFD數(shù)值模擬研究［J］.船舶力學，2011（1）：17-24.

［6］ 馮毅.多槳船附體阻力的預報方法［J］.船舶，2010（2）：15-19.

信息 動態(tài)

MARIC加入無人貨物運輸船開發(fā)聯(lián)盟

日前，由海航集團旗下的海航智造投資發(fā)展有限公司發(fā)起的無人貨物運輸船開發(fā)聯(lián)盟（以下簡稱聯(lián)盟）籌備會在上海召開，中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院（MARIC）副院長沈偉平作為代表參會并簽署了入盟意向書。參會的其他單位包括DNV、ABS、CCS、七一一研究所和海航科技物流集團有限公司等。

目前，無人貨物運輸船在全球還屬于概念設(shè)計及實驗階段。隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能及機器人等新興技術(shù)突飛猛進，船舶自動化水平逐步提高，這些都為無人運輸船舶的實現(xiàn)提供了技術(shù)支撐，無人貨物運輸船將會成為未來海運發(fā)展的新趨勢。

此次聯(lián)盟囊括了船東、船廠、設(shè)計院、船級社、設(shè)備集成商，覆蓋了從設(shè)計、建造、營運、監(jiān)管的全部環(huán)節(jié)。各成員單位將在歐美航線規(guī)劃、港口協(xié)調(diào)、國內(nèi)政策更新及法規(guī)制定、無人船舶總體開發(fā)設(shè)計、無人船舶動力及控制系統(tǒng)研究、無人船舶操縱軟件設(shè)計等方面進行共同探索和開發(fā)，各方將充分展現(xiàn)自己擅長領(lǐng)域的長板，最大程度發(fā)揮集成創(chuàng)新的優(yōu)勢，圍繞共同的目標一起努力。

近年來，MARIC開始進入智能船舶領(lǐng)域的研究，參與國家工信部課題“智能船舶頂層設(shè)計及部分智能系統(tǒng)應用”，并完成了大型集裝箱船智能船落地方案的總體設(shè)計。通過課題研究，對該領(lǐng)域國內(nèi)外廠商的技術(shù)現(xiàn)狀、國內(nèi)系統(tǒng)集成的要點等問題有了一定程度的認知。

作為聯(lián)盟發(fā)起人中唯一的船舶總體研發(fā)單位，MARIC將借助自身雄厚的技術(shù)力量和對無人智能船舶的長期跟蹤研究經(jīng)驗，在無人貨物運輸船相關(guān)技術(shù)的研發(fā)、設(shè)計、試驗等工作方面同各協(xié)作單位通力合作，確保在項目實施周期內(nèi)完成令聯(lián)盟滿意的答卷。

此次聯(lián)盟的籌建旨在開展無人貨物運輸船研發(fā)和制造并投入營運，計劃3個月完成聯(lián)盟籌建工作，確定目標船型、編制聯(lián)盟計劃，力爭在2022年交付并運營全球首艘無人貨物運輸船，成為未來航運模式的開拓者。

Resistance prediction of middle-high speed vessel based on NUMECA

LAI Hai-qing FANG Xian-jin LI Ming-min HE Jiang-xian
(Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250, China)

The CFD method is widely used for the ship resistance prediction and the hydrodynamic analysis. Combined with the current material and the experimental data, this paper carries out the resistance prediction for a middle-high speed craft by using FINE/Marine. It shows that the predicted resistance agrees with the experimental data, clearly revealing the various details of the fl ow fi eld. This method is proved to be eff ective, practicable for the quick resistance prediction of the middle-high speed craft. In addition, it investigates the infl uence of the hull appendage and the other hull form parameters on the total ship resistance.

FINE/Marine simulation platform; ship resistance; appendage

U661.31+1

A

1001-9855（2017）02-0019-08

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.019

2016-10-11；

2016-12-12

賴海清（1989-），男，碩士。研究方向：船舶性能優(yōu)化及輪機設(shè)計。方先進（1984-），男，工程師。研究方向：船舶總體設(shè)計及管理。李明敏（1985-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶性能研究。何江賢（1989-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計建造。