【摘 要】随着CFD（Computational Fluid Dynamics）技术在船舶设计研究中的应用，数字化的船模水池，在民船与军船水动力特性研究中得到广泛的应用。本文介绍了以势流理论为基础的船舶设计软件Shipflow，并介绍了其适用的船舶类型，分析了它在阻力预报中的优越性。
【关键词】CFD；势流理论；阻力预报
中图分类号： U675.91 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0194-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.088
【Abstract】With the application of CFD（Computational Fluid Dynamics）technology in ship design research， digitalized model vessel pools have been widely used in the study of hydrodynamic characteristics of civilian and military ships.
【Key words】CFD；Potential flow theory；Resistance prediction
21世纪，科技高速发展为船舶业带来了巨大的机遇与挑战，作为船舶设计者，要审时度势，积极开发应用新技术，才能立足于行业前列。CFD是一种新兴的计算方法，它作为一种新的优化船型手段在国内外船舶设计中已得到了广泛的应用。但由于受到当前理论水平和计算机的运算速度限制，CFD方法对于精准预报船舶水动力性能还些不足，但其计算结果仍能一定的精度要求，且能得到比船模试验更多流场信息。目前主流的CFD设计软件有：Fluent、CFX，Star-CCM、Comsol等，由于算法和软件本身侧重点不同，因此各有优缺点。本文将介绍一种基于势流理论的CFD计算软件Shipflow，并分析其在特定船型设计中所具有的优越性。
1 软件简介
Shipflow是以CDF为依托，处于领先地位的船舶水动力设计分析专用软件，最初是由瑞典SSPA公司和Chalmers科技大学在八十年代联合研发的，针对船体水动力数值模拟的专用软件[1]。在国内，Shipflow应用主要集中在高校等科研院所，侧重于应用研究[2]；在国外，该软件侧重应用于多学科设计优化，例如，船型参数化软件Friendship已将其作为系统默认求解器[3]。除此之外国外学者还十分重视软件的檢验与验证，Lu[4]等对Shipflow软件用于油船仿真的网格划分、计算设置等进行了相关性分析；Mierlo[5]对Shipflow软件的网格划分、兴波阻力计算方法和收敛准则等开展了较为深入的研究，并经过系列船型计算，得到了可用于修正Shipflow计算结果的回归公式。
2 计算优越性分析
船舶拖曳水用船舶模型实验方法，模拟船舶运动状态，是船舶水动力实验的重要设备。船模实验是验证船舶设计、了解船舶阻力性能的重要环节，其实验数据至今仍在新船型开发中起着重要的作用[6]。但这种方法实验费用高，周期长，且对船池本身依赖性较大。船舶CFD是通过模拟不可压缩牛顿流体的湍流运动状况来预报船舶航行时的水动力性能。结合具体的船型，CFD可以比较精确预报船舶快速性和流场特性，能比较不同流线方案的快速性优劣。由于是在“数值水池”中进行试验，尤其在设计初期，不用进行船模实验，也可以获得具有参考价值的设计参数，从而缩短设计周期，降低成本，这在船舶设计有着重要意义。Shipflow是造船行业广泛认同的功能最全面，最完善的有效计算船舶阻力性能的CFD软件之一，它相当于数字化的船模水池，在民船与军船水动力特性研究中有广泛的应用。Shipflow可以通过模拟给出波浪模式，压力分布，速度矢量，空间流线和波浪增阻，粘性阻力，兴波阻力，诱导阻力，升力，螺旋桨效率等船体特征性参数[7]。新开发的Shipflow版本还增加了增添了浅水效应研究，盘形推进器网格自动划分和多船体研究等功能。
Shipflow将船体周围的流场划分为三个计算流域，分别为势流区、薄边界层区和湍流区，根据各个区域流体流动特性的不同，分别在每一区采用不同的数值计算方法。其中每一区使用的CFD方法如下：
2.1 势流区
Shipflow在该区域采用Rankine源法，根据自由表面的线型、非线性边界条件，进行高阶面元法的势流理论进行计算，主要是求解船舶的兴波阻力。
其原理是认为此区域船舶在不可压缩的理想流体中运动，忽略水的粘性，且不考虑尾部伴流影响，进行数值计算时，运用高阶面元法，联立Laplace方程以及自由液面边界条件得出速度势分布，然后根据伯努利方程得到压力与速度的关系，最后算出船舶兴波阻力系数Cw。
2.2 薄边界层区
此区域主要应用边界层理论。采用动量积分的方法，对船舶前三分之二的船体沿边界层进行厚度积分，起点可以从驻点开始，也可以从选定的站点开始。将势流压力分布作为输入参数，可计算出此区域的摩擦阻力。
2.3 湍流区
此区域可看做是对粘性流体进行求解。Shipflow采用基于有限体积法的RANS求解器——XCHAP求解模块[8]来进行计算。
计算中采用时均化的N-S方程，即雷诺方程。
不可压缩流体的雷诺方程：
在数值计算中采用有限体积法，通过k-？着湍流模型进行求解。其中，RANS方程的边界条件可由势流和边界层计算得到，方程中的对流项采用Roe平均策略，取二阶精度格式，其余各项采用中心差分进行离散，并对离散方程进行迭代求解[9]，由于此区域船体受到流体的粘性作用，对船体湿表面进行积分，所得运动方向上的分量即粘性阻力Rv，再通过RANS方程求解得到船体表面压力分布。采用这种分区域分步骤的求解方式，得到船舶航行时受到的总阻力。整个计算方法既能保证计算的精度与准确度，同时也有效缩短了计算周期，提高了计算效率。
3 阻力预报方法
舰船船体阻力可以分为兴波阻力与粘性阻力，阻力预报有两种方法。
第一种，分别计算两种阻力，其中粘性阻力利用Holtrop方法估算，形状因子可用经验公式，摩擦阻力系数可用柏-徐公式计算。兴波阻力计算可以通过对船体表面势流压力进行积分得到；粘性阻力是摩擦阻力与粘压阻力之和，摩擦阻力是对沿船体表面局部摩擦应力积分得到，前半体局部摩擦阻力通过边界层方法得到，后半体局部摩擦阻力通过N-S方程中壁面剪应力得到，粘压阻力由粘性引起的压力积分得到。
第二种是排挤厚度法，排挤厚度是指粘性作用造成边界层速度降低，相比理想流体有流量损失，相当于中心区理想流体的流通面积减少，计算时将平板表面上移一个厚度，此为排挤厚度[11]。在计算兴波阻力时就等效的计入粘性的影响，获得剩余阻力，然后估算出舰船的船体阻力。
采用和这两种方法估算剩余阻力时，只有当剩余阻力系数Crs>0.32时预报准确性高，系数较小时，则存在一定的误差。其中采用排挤厚度法比第一种估算阻力方法更为准确，其预报阻力误差基本可控在7%内。计算兴波阻力时引入排挤厚度等效算作粘性影响，进行修正，可以达到对船舶阻力的快速预报。
4 关于Shipflow应用的讨论
近年来，有关CFD的研究进展较快，Shipflow的应用也越来越广泛。但是，无论是网格处理、求解器设计、后处理，还是计算结果可靠性分析上，由于源代码不公开而存在修正的困难[12]。大量的算例分析得出，Shipflow对于大Cb，低Fn船型有较好的计算结果，但是对于特殊的高速船，其计算结果不如Fluent；尤其当船舶航态处于半滑行状态时，出现破波，其计算精度往往无法满足设计要求，只能用船模试验。综上，对于船型几何形状及船体周围流动的过于复杂时，数值计算结果只适用于对船舶性能做定性的分析。若能解决这几方面问题，Shipflow将会得到更为广泛的应用。
5 结束语
本文对目前应用较为广泛的Shipflow软件进行了介绍，分析了其分区域计算的方法，以及其在船舶阻力预报中的实际运用。通过对船舶绕流的分析，对船舶阻力的计算，可以对船舶设计进行线型优化，对初步线型的阻力性能进行对比、评价，为修改线型优化设计提供帮助[13]，提高船舶快速性，从而降低船舶制造成本，提高工作效率，缩短建造周期，节省船模加工、试验成本。
【参考文献】
【References】
[1]陈红梅，蔡荣全，势流计算在船舶型线优化改型中的适用性研究[J].船舶工程，2012，S2：9-19.
[2]刑瑶，易宏，李英辉，改进型双支柱SWATH的兴波阻力研究[J]，船舶工程，2008，30（2）：16-19.
[3]CLAUS A，HARRIES S，WUHDERLICH，et al.Flexible tool integration for simulation-driven design using XML，generic and COM interfaces [C]//8th International Conference on Computer and IT Applications in the Maritime Industrise.Budapest，2009：461-473.
[4]LU Z，LARSSON L，ORYCH M.Verification and validation of CFD predictions for a manoeuvring tanker[C]//9th international Conference on Hydrodynamics.Shanghai，2010：438-445.
[5]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.
[6]周志勇，CFD在船型優化中的应用[J]，船舶设计通讯，2005，02，46-49.
[7]吴晓莲，基于CFD的船舶球艏-球艉低阻线型研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008，02：5-6.
[8]卢雨，胡安康，尹逊滨，田明琦，基于SHIPFLOW的某大型集装箱船阻力预报与实验验证[J]，中国造船，2016，02，22-30.
[9]胡春平，基于Friendship的船体型线优化技术研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2012，5：48-50.
[10]陈伟，许辉，邱辽原，姜治芳，王晓喆，基于SHIPFLOW软件的方尾舰船阻力快速预[J].中国舰船研究，2012，04，17-22.
[11]夏国泽，船舶流体力学[M]，武汉，华中科技大学出版社，2003.
[12]万德成，船舶与海洋工程数值水池研究[M]，中国力学学会学术大会，2009.
[13]魏菲菲，李晓峰，49000DWT油船化学品船线型设计与优化[J]，船舶设计通讯，2010，09，S2，16-20.