二维船型CFD的阻力评估

诸葛奕东

【摘 要】随着船舶行业的迅猛发展，对于船舶阻力方面的研究越来越引起学者们的重视。另一方面，关于船舶减阻的研究也到了广泛地关注。本文基于FLUENT软件对二维船型进行了阻力特性研究。首先通过FLUENT前处理软件GAMBIT软件进行建模，然后划分网格后，将划分网格后的生成mesh文件，最后在FLUENT中进行数值计算。

【关键词】阻力；建模；FLUENT；数值计算

0 引言

船舶阻力是影响船舶快速性的重要内容之一。阻力性能良好的船舶可以提高运输效率，节约能源，也直接关系到船舶的经济性能。船舶阻力性能评估是船型优化的重要依据。研究船舶航行中的阻力问题对改善船舶快速性具有重大作用。经过多年的发展，关于船舶阻力研究的手段和方法越来越多，内容越来越深入，准确性越来越高，其对船舶设计和建造的贡献也越来越突出。准确的阻力评估可以有效地为后期的工作提供很大的便利。

1 GAMBIT和Fluent简介

GAMBIT软件是面向CFD的专业前处理器软件，它包含全面的几何建模能力 ，具有灵活方便的几何修正功能，当从接口中导入几何时会自动的合并重合的点、线、面；具有功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。GAMBIT中专有的网格划分算法可以保证在较为复杂的几何区域可以直接划分出高质量的六面体网格。GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW、NEKTON、ANSYS等求解器所需要的网格。

FLUENT是用于模拟具有复杂外形的物体周围流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了灵活的网格形状，你可以使用非结构网格以缩短产生网格所需要的时间。初始网格可以使用GAMIT等前处理软件进行。在流场的大梯度区域，为了非常准确的预测流动，自适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格变得很简单，并且减少了计算量。Fluent主要应用于以下一些方面：航空航天、汽车、船舶与海洋工程、机械等，其为工业流动模拟求解。对于模拟复杂流场结构的不可压缩、可压缩流动来说，fluent是很理想的软件。

2 问题描述

船体高H=2m，船底长L=10m。船艏与水平线夹角α=45°；船头装有长为a=1m的压浪板，压浪板与水线夹角为β=30°。若船体单位宽度上重为G=mg=17.5×103×9.81kg并以V=18km/h=5m/s匀速行驶在平静的河水里，试研究此船舶的行驶过程和行驶阻力。

水的物理参数：密度ρ=1000kg/m3，动力黏度μ=1.7894×10-5Pa·s

空气的物理参量：密度ρ=1.225kg/m3，动力黏度μ=1.7894×10-5Pa·s

3 模型建立

在船体附近创建一个相对较小的流域，其本意一是便于船体附近网格的加密，因为流动参数在这一区域的梯度较大；二是便于调整船体的升高或降低，当然，当水较深时也可通过调整水线位置来调整船体的升高或降低。

另外，值得说明的是本文中没有考虑船体的纵倾角，即假设船体保持水平状态；另外也没考虑船舶的动力系统问题。

4 网格划分

在形成封闭的流体域后就可以进行网格划分了，划分网格是前处理过程中最困难的部分，网格单元划分的好坏不仅决定了求解是否准确，还决定了求解时间的长短。先后创建网格点分布，面网格，再创建外围流域，紧接着就是网格划分。划分好的网格如图1。

5 FLUENT数值计算

通過GAMIT建模划分网格后，生成mesh文件，导入FLUENT中进行设置并计算。

图1 计算流域网格图

按照如下步骤进行求解计算，计算结果如下图所示。

图2 阻力残差曲线

图3 船体升力信息

从以上阻力残差曲线以及船体升力信息可以看出，流动已经基本达到稳定状态。

6 结论

本文以某二维船型为例，在FLUENT软件中进行了模拟计算，获得了较好的理论计算值。这主要归功于良好的自由面网格划分。随着CFD的发展，可对此类二维船型问题采用CFD技术进行进一步地模拟求解。

【参考文献】

[1]余建伟.基于CFD的船舶阻力计算与预报研究[D].上海：上海海事大学，2009.

[2]张杨.基于FLUENT的多体船阻力研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[3]倪崇本.一种基于 CFD 的船舶总阻力预报方法[D].上海：上海海事大学，2010.

[4]王言英.基于阻力性能船体型线精细优化的CFD方法[D].大连：大连理工大学，2002.

[5]刘超.基于FLUENT 的CFD方法在船海工程中的实用性研究[D].大连：大连理工大学，2012.

[责任编辑：汤静]