基于SHIPFLOW的KCS船型兴波阻力数值计算

万超

摘 要：本文以韩国船舶与海洋工程研究所（KRISO）的集装箱船标模KCS为研究对象，利用CFD软件SHIPFLOW对其进行兴波阻力性能数值模拟，比较网格质量、傅汝德数对兴波阻力性能计算结果的影响。结果表明：傅汝德数相同，网格质量不同时，计算结果不同；网格质量相同，傅汝德数不同，计算结果与实验值有所差异，但是总体趋势与实验值较为一致。本文对不同网格质量、不同傅汝德数下的KCS船型作了兴波阻力的数值模拟，模拟结果具有一定可靠性，为基于兴波阻力的船型优化提供兴波阻力性能数值计算支撑。

关键词：兴波阻力；KCS；数值模拟；网格质量；傅汝德数

中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）05-0039-02

国际船舶ITTC会议已将基于仿真的设计列为数值模拟技术研究的前沿热点课题。将CFD技术应用于船型优化中，不仅需要进行大量的数值计算，还要保证计算结果具有可接受的精度。为缩短计算耗时，除了应加强计算机硬件的建设外，还需要保证计算精度在可接受的情况下，使得计算网格数较少。

1 数值计算方法验证

1.1 计算模型

1.2 计算工况

1.3 计算域和边界条件

在CFD计算中，一个关键因素是计算域的合理选取。过大的计算域会使计算量和计算时间大幅增加，而过小的计算域又会使计算精度不满足计算要求，且数值模拟的状态与真实的情况不符。

1.3.1 计算域

由于船体左右对称，船体左右的流场也对称，所以只需计算左舷或右舷的半个船体的流场。参考以往数值计算实例和经验，计算域选取如下：

兴波阻力的计算域：计算域为横向宽度取0.7倍船长，纵向首部向前取0.5倍船长，尾部向后取1倍船长。

1.3.2 边界条件

边界条件就是在求解域的边界上，物理量需要满足的数学条件，边界条件反应了问题的物理本质。

2 网格划分

在CFD计算中，另一个关键因素是网格的划分。势流方法计算兴波阻力，其精度对面元的分布有一定的依賴性，即网格的质量直接决定计算结果的准确性，所以生成高质量的网格是计算的关键。

兴波阻力计算的面元网格划分。采用贴体的曲面坐标系并在这个坐标系中划分网格，因此自由液面的网格能够直接反映波面的起伏状况。根据KCS船型特点，其兴波面元分布（面网格划分）应注意在船体瞬时湿表面、瞬时水面均需划分面元网格，并在曲率变化大的首尾进行加密；在自由水面上，面元网格在纵向尽量分布均匀，侧向靠近船体较密。

3 计算结果与分析

3.1 不同网格的计算分析

由于KCS船型的兴波阻力没有试验结果，因此兴波阻力的数值计算结果没有试验结果对比。但从理论分析可知细网格计算的结果更可靠。本文为验证网格数对计算结果的影响及SHIPFLOW在不同网格数时计算结果的稳定性，对KCS船型进行型线修改，获得17条局部型线变化的“KCS”船型（假设局部位置的改变不会对兴波阻力产生较大影响），并采用两套网格（粗网格：约800个面元，细网格：约3600个面元）分别计算其兴波阻力性能，计算结果见表2。

相比于细网格，粗网格计算稳定性差，计算结果的可靠性不满足优化分析要求。

3.2 设计航速下兴波阻力计算

3.3 不同航速下的兴波阻力计算

对不同航速分别进行非线性的自由液面条件的计算，每航速计算了约8步达到稳定，计算结果见表3。

得出结论：相同船型，傅汝德数越大，兴波阻力系数越大。这一结果能得到理论结论的支撑。

4 总结与展望

本文采用CFD分析软件SHIPFLOW对KCS船型作了大量的数值模拟，并比较了不同网格数、不同傅汝德数下的兴波阻力计算结果。计算结果所呈现的规律满足理论分析结论及经验认知，因此可以认为SHIPFLOW计算结果较为可信，可以为后续兴波阻力的优化作支撑。本文欠缺之处在于考虑网格影响时，只分为两个档次，应该分多个档进行细致研究。Fr数对兴波阻力的影响很大，本文只作了定性分析，没从机理上进行解释，这是后期工作需要完善的部分。

参考文献：

[1] FLOWTECH. SHIPFLOW4.7 users manual[M]. Gothenburg，Sweden，2012.

[2] 王文飞. 7000 吨成品油船的球首优化研究[D] 上海：上海交通大学. 2008

[3] 陈伟，许辉，邱辽原.基于SHIPFLOW软件的方尾舰船阻力快速预报[J]. 中国舰船研究， 2012， 7（4）： 17-22.

[4] 王中，卢晓平，王玮.考虑升沉和纵倾的方尾船非线性兴波阻力计算[J].水动力学研究与进展（A辑），2010，25（3）：422-428.