虞波

[摘 要]在本文中，將以某船舶計算流體力學為例，在對傳統(tǒng)實驗流體力學試驗計算結(jié)果基礎(chǔ)上對改型以及船原型性能間的差異，并對CFD在船型優(yōu)化中的優(yōu)勢進行一定分析。

[關(guān)鍵詞]流體力學；船舶線型優(yōu)化；應(yīng)用；

中圖分類號：U661.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0332-01

1 引言

在我國船舶計算流體力學以及計算機技術(shù)不斷發(fā)展的情況，通過數(shù)值理論方式對船舶性能進行分析已經(jīng)成為了重要、且較為新型的研究手段。對于計算流體力學來說，其是一門集計算數(shù)學、船舶流體力學以及計算機科學于一體的學科，在現(xiàn)今船舶操縱性能、阻力性能以及推進性能積極研究的環(huán)境下，成為了對船舶性能進行研究、預報的重要工具。作為一種對船型優(yōu)化的新手段，其目前在我國內(nèi)外得到了較多的應(yīng)用，已經(jīng)具有了較為成熟的開發(fā)特點，且已經(jīng)形成了較多的軟件類型，應(yīng)用在船舶升沉、流場以及船舶阻力計算當中。雖然CFD理論方式在定量精度方面還存在著一定的不足，但依然能夠為我們帶來重要的提示，為我們線型阻力性能的評價以及比較具有重要的幫助。

2 計算軟件簡介

對于RAPID軟件來說，其是上海船舶運輸科學研究所從荷蘭引進的CFD軟件，對于該軟件來說，其對非線性勢流問題進行了較好的解決，即通過一系列線性問題的應(yīng)用對非線性、完全穩(wěn)定的問題解決方案進行得出。在每一次迭代當中，問題都能夠在同距自由液面一定距離位置通過等源網(wǎng)格方式的應(yīng)用進行解決，并以同DAWSON較為類似的方式對自由液面條件進行處理，能夠?qū)Υw周圍穩(wěn)定的波系、興波阻力以及非粘性流進行計算。同時，其也通過基于raised-panel方式的迭代應(yīng)用對非線性的勢流問題進行解決。通過該軟件的應(yīng)用，能夠有效對興波阻力以及波浪的形成情況進行減小。在計算結(jié)構(gòu)當中，其以可視化的方式對船體表面壓力場分布、流線方向、船波系特性以及速度場分布等進行了顯示，且在壓力分布當中也對粘性流改善方向進行了指出。通過計算獲得的升沉、興波阻力、波系等數(shù)據(jù)的應(yīng)用，設(shè)計人員則能夠更好的對其設(shè)計方案進行評估以及改進，對減少船舶阻力線型的改進方向進行判斷?？梢哉f，通過改進方案RAPID結(jié)果的研究與分析，則能夠?qū)Ω男头桨傅臏p阻效果進行驗證，在能夠?qū)Χ鄠€線性方案設(shè)計計算進行優(yōu)化的基礎(chǔ)上同傳統(tǒng)模型方式相比能夠有效實現(xiàn)研究周期以及研究成本的降低。

3 船型參數(shù)與線型比較

在本文中，以一艘典型的大型船進行研究。在上圖中，實線標識的是圓型橫剖曲線，聯(lián)系RAPID計算結(jié)果可以了解到，對于該船來說，其在17站附近位置存在一個較為明顯的波谷，對此，即對19站之前的橫剖面積進行增加，并同時減小16、17、18站的橫剖面積，在使整個肩部水線具有較為緩和特征的基礎(chǔ)上對興波阻力起到了積極的改善作用。同時，由于RAPID對勢流理論進行了應(yīng)用，即不能夠?qū)δ繕说奈残砸约罢承赃M行計算，而在對以往經(jīng)驗進行聯(lián)系的基礎(chǔ)上，也對船體的尾部進行了一定的改動，即在將原有船尾削瘦之后對更為V型的線型進行運用。

4 原型同改型計算結(jié)果比較

4.1 CFD計算結(jié)果

在該環(huán)節(jié)中，我們對兩個不同的船型進行了RAPID計算，并對壓力場以及波形方面進行了比較。在經(jīng)過波形以及壓力場分布情況研究可以得到以下變化：第一，在完成改型之后，船側(cè)波形同原型相比具有了較為明顯的改善；第二，在球艏部，在改型完成之后，其在壓力梯度方面具有了較為緩和的特征，低壓區(qū)范圍相較以往具有了縮小，且船尾壓力過渡方面也具有了較為緩和的特征。而為了能夠以更為形象的方式對波浪幅值進行描述，我們也在船側(cè)位置對縱切波圖進行了形成，沿船側(cè)改型之后，波形幅值同之前相比具有了一定的改善，在完成改型之后，船體興波阻力同以往相比較小。

4.2 EFD計算結(jié)果

為了能夠?qū)FD的分析結(jié)果進行驗證，我們分別對船體的原型以及改型方案進行了模型試驗。從試驗結(jié)果中可以了解到，在完成改型之后，其結(jié)果同原型相比具有了一定的提升，模型試驗有效功率以及剩余阻力系數(shù)的比較情況如下表所示：

4.3 不同方法比較

從CFD計算獲得結(jié)果可以了解到，同原線型相比，船舶在17以及18站位置的壓力分布情況得到了較多的改善，不僅首尾波形具有了較好的改善效果，且船在興波阻力方面同之前相比也具有了明顯的減小。經(jīng)過模型試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在傅氏數(shù)0.134-0.204之間，船舶剩余阻力都具有了較為明顯的減小，而在傅氏數(shù)增加的情況下，船舶阻力降低的百分比也將隨之增加，根據(jù)模型試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，能夠?qū)FD計算結(jié)果進行驗證，即能夠?qū)?yōu)化的目標進行形成。

5 結(jié)束語

在上文中，我們通過CFD計算方式的應(yīng)用對原型以及改型兩個不同的方案進行了分析以及計算，通過對船波系特性、速度場分布以及表面壓力場分布情況的計算，則能夠在對線性優(yōu)化改善方向進行定性的基礎(chǔ)上設(shè)計出具有較好阻力性能的線型優(yōu)化方案。同時，也對線型優(yōu)化前后的模型試驗進行了比較，經(jīng)過比較可以了解到，同原型相比，在完成改型之后，傳播總阻力以及剩余阻力系數(shù)都具有了較大的減少，同CFD計算結(jié)果一致，并因此對CFD在定性上的準確性進行了驗證。同時，在目前模型試驗當中，如果直接對模型的興波阻力進行測量，則將具有較為困難的情況，對此，其還不能夠?qū)FD方式計算獲得的數(shù)值給出具體評價，需要在未來研究當中不斷優(yōu)化提升。

參考文獻

[1] 張本輝，王驍，蔡烽，石愛國，楊波，薛亞東.計及航速影響的畸形波數(shù)值模擬[J].中國航海.2016（02）：44-45.

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