摘 要：本文采用CFD方法，通過求解RANS方程，基于CFD軟件FLUENT，選擇某船作為計算對象，研究其阻力性能，并與現(xiàn)有試驗值進行對比，探究了網(wǎng)格數(shù)目和湍流模型對其性能計算精度的影響。研究表明數(shù)值計算結(jié)果與試驗數(shù)值吻合較好，驗證了本文采用的計算方法的可靠性，對今后船舶阻力性能數(shù)值預(yù)報有一定參考作用。

　　關(guān)鍵詞：船舶阻力;數(shù)值計算;RANS;CFD

　　船舶快速性是船舶的諸多性能中的一項非常重要的技術(shù)性能，快速性的優(yōu)劣，對眾多船舶來說在一定的程度上影響船舶的使用性和經(jīng)濟性。對于民船以及軍艦艦艇而言顯得更加重要，這是由于在民船中，船舶快速性性能很大程度上影響其經(jīng)濟成本，對軍船而言，快速性能是軍艦主要的性能指標之一，直接影響軍艦的作戰(zhàn)能力[1]。而船舶的阻力預(yù)報是研究船舶快速性的一個重要指標，阻力性能良好的船舶可以提高運輸效率，節(jié)約能源，也直接關(guān)系到船舶的經(jīng)濟性能[2]。

　　阻力的預(yù)報方法一直以來是船舶性能計算領(lǐng)域中的重要研究主題。目前，預(yù)報方法大體分為理論計算、模型試驗、數(shù)值模擬三大類。郭春雨等[3]對采用艾亞法和蘭潑凱勒法對阻力展開了評估預(yù)報，同時進行了一些修正。模型試驗是根據(jù)對問題本指導(dǎo)理性認識，按照相似理論制作小尺寸的船模和槳模，在試驗池中進行試驗，以獲得問題定性和定量的解決。許多優(yōu)良的船型或重要船舶幾乎都要進行船模試驗。在船舶快速性的研究歷史上，船模試驗一直是最重要的方法，在某種意義上，曾經(jīng)是唯一的方法，但船模試驗有其局限性，諸如與實船情況不能完全模擬、試驗成本高等[1]。

　　隨著計算機科學(xué)技術(shù)和計算機流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)在船舶性能數(shù)值模擬領(lǐng)域的不斷應(yīng)用研究，基于納維爾-斯托克斯(Reynolds-Averaged Navier-Stokes，RANS)方程的三維粘性流方法逐步地應(yīng)用在船舶阻力計算模[4]，不少學(xué)者采用FLUENT、STR-CCM+等流體軟件，對船舶的阻力研究做了深入探討，研究了計算模型、計算網(wǎng)格處理等具體問題的處理，取得了一些仿真經(jīng)驗[5-8]。

　　縱觀現(xiàn)有文獻可以發(fā)現(xiàn)，采用CFD方法計算船舶阻力已經(jīng)十分成熟，CFD方法相對試驗而言有成本低 、周期短 、操作簡單、不受模型尺寸限制等優(yōu)勢，但是很少有論文系統(tǒng)地指出船舶阻力計算中的影響因素，本文就船舶阻力計算精度做出計算和總結(jié)，為后期的船舶快速性數(shù)值計算提供參考意見。

　　1數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

　　1.1控制方程

　　在粘性流體運動學(xué)和動力學(xué)中，RANS方程是必不可少的控制方程，其形式如下(1)與式(2)[9]。

　　1.2湍流模型

　　標準兩方程模型最早由Launder和Spalding提出，是建立在一方程模型基礎(chǔ)，添加湍動能耗散率得來。的定義是：流體單位質(zhì)量脈動動能耗散率，表達式如下：

　　標準模型耗散速度過強，用于強旋流、強分離流和曲率較大的流動時，失真度較高。后人為彌補標準模型的不足，在其基礎(chǔ)上提出了許多改進方案，其中最常用的有RNG和Realizable模型。

　　RNG模型由于在方程中增加了控制項，計算速度梯度較大的流場時具有更高精度;此外RNG模型考慮了流體旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，因而處理旋轉(zhuǎn)問題時精度更高;再者RNG模型完善了近壁面處理方法，對低雷諾數(shù)問題有較高的適應(yīng)性。這些改進讓RNG模型更勝標準一籌。

　　Realizable模型中，耗散率由漩渦脈動均方差導(dǎo)出，該方法賦予了更強的計算圓柱射流問題的能力，并且在大壓力梯度下邊界層流動、旋轉(zhuǎn)、回流等復(fù)雜問題時表現(xiàn)出較高適應(yīng)性。

　　本文基于以上介紹的三種湍流模型，分別討論了不同湍流模型對船舶阻力計算的影響。

　　2數(shù)值計算前處理

　　2.1三維建模建立

　　某船的具體參數(shù)見表1。

　　采用三維軟件Catia進行船體建模，建模方法是根據(jù)船體橫剖線生成每站橫剖面，再沿引導(dǎo)線匯成船體，最終的三維模型圖如下圖1所示。

　　2.2計算域及網(wǎng)格劃分

　　本文為控制網(wǎng)格總數(shù)，同時為提高船體表面區(qū)域網(wǎng)格具有較高貼合度，將計算域分成近船體區(qū)域和遠船體區(qū)域。其中近船體區(qū)域為船體向外延伸半個型寬，這樣做既可以避免入口處駐點屬性因太靠近船體壁面而具有太高的非一致性，同時還能保證出口處流動順暢。遠流場取船首上游一倍船長，船尾下游三倍船長，寬度一倍船長的長方體區(qū)域。計算域劃分如圖2。

　　出于計算精度的考慮，船體附近網(wǎng)格需要相對細密，但由于船體曲面極其復(fù)雜，因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分船體附近區(qū)域，保證精細程度;采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分遠流場區(qū)域，控制網(wǎng)格數(shù)量。最后合并不同區(qū)域之間相交面上的網(wǎng)格來確保網(wǎng)格的連續(xù)性。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

　　2.3邊界條件設(shè)置

　　入口和出口分別選取速度入口(pressure-inlet)和壓力出口(pressure-outlet)。船殼和外域流場邊界面為壁面，壁面處速度為0，并且由于分子粘性占主要地位，此處湍動能k=0。

　　本文模型關(guān)于中縱剖面對稱，因而計算時設(shè)中縱剖面為對稱面。該平面上，沒有物理量交換，所以法向速度為零，湍動能的法向梯度也為零。

　　3阻力計算

　　3.1網(wǎng)格數(shù)目的影響

　　為了分析不同網(wǎng)格密度對計算結(jié)果的影響，以航速1.48(m/s)為例，選取湍流模型為Realizable，對3種不同的網(wǎng)格密度下的計算域進行計算計算，對結(jié)果進行對比分析。固定邊界層的總厚度為2mm，通過改變層數(shù)，進而影響著網(wǎng)格密度，具體的計算情況如下表2所示。

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