計算流體力學在船舶線型優(yōu)化中的應用

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方式的迭代應用對非線性的勢流問題進行解決。通過該軟件的應用，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

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