船舶阻力预报的仿真解决方案

1、船舶阻力预报CFD研究现状

在船舶行业，ANSYS FLUENT能准确捕捉复杂流动形态及结构；流动区域平均物理量（速度及压力）的预报已达到较高精度；固壁边界的水动力系数（摩擦阻力和粘压阻力系数）的预报已达到一定精度，可用于初步设计、优化设计等工程应用问题；自由表面流动的计算进步较快，波形的预报已经达到相当的精度。

ANSYS FLUENT一般对多个不同的设计方案给出正确的排序。比之单由水池试验，ANSYS FLUENT分析的长处是它允许对更宽范围的备选船型方案进行测试。比较理想的做法是，它适合用来选择有希望的备选设计方案作进一步的水池试验。ANSYS FLUENT也指明对设计方案进行改进的部位和方法，比如，显示出船身上的压力分布的细节。

2、船舶阻力计算ANSYS FLUENT的解决方案

1)      FLUENT具有丰富的湍流模型

FLENT软件中在工程上常用的涡粘湍流模式有六种，它们分别是：一方程的S-A模型，二方程的标准k-ε模型、RNG k-ε、Realizable k-ε模型、标准的k-ω模型和SST k-ω模型。

图1：潜艇的外流场数值模拟流线图

2)      FLUENT具有强大多相流技术

多相流混合物广泛应用于工业中，FLUENT软件是在多相流建模方面的领导者，其丰富的模拟能力可以帮助工程师洞察设备内那些难以探测的现象，Eulerian多相流模型通过分别求解各相的流动方程的方法分析相互渗透的各种流体或各相流体，对于颗粒相流体采用特殊的物理模型进行模拟。

VOF模型（Volume of Fluid）可以用于对界面的预测比较感兴趣的自由表面流动，如海浪、船舶自由液面。Mixture混合相模型下的汽蚀模型已被证实可以很好的应用到水翼艇、船用螺旋桨的空化模拟。

图2：船舶带自由液面的阻力计算

3)      FLUENT具有强大的动网格技术

FLUENT软件的六自由度动网格技术主要用于计算运动壁面边界问题，即计算边界发生位移形变的问题，边界的形变过程可以是已知的，也可以是取决于内部流场变化的。在计算前首先要给定体网格的初始定义，在边界发生形变后，其内部网格的重新划分是在FLUENT内部自动完成的，而边界的形变过程即可以用边界函数来定义，也可以用UDF函数来定义。

该技术常用于船舶在非均匀来流如波浪作用下的6自由度运动（含有船舶晃荡），船舶在水面或水下的回转运动等。

图3：WIGLEY船型在波浪作用下不同时刻的自由液面

4)  FLUENT具有单、双向流固耦合及参数化技术

2006年ANSYS收购FLUENT后，使FLUENT在Workbench平台下能方便地与ANSYS结构软件实现单、双向耦合计算。该技术可以用于船舶球鼻艏、舵、螺旋桨桨叶、轴套等构件的流固耦合分析，目前已经有相当多的船舶客户开始对船舶的球鼻艏及桨叶进行双向耦合仿真分析。

另外，FLUENT被集成在Workbench平台下后，能方便地对模型、网格尺寸、边界条件等进行参数化分析，能大大提高船舶在初步设计过程中会涉及到的大量系列设计、相似设计的工作效率，即客户只需要计算一种工况，模型或边界条件修改后的工况，软件会自动求解并输出多工况的仿真计算结果。除了参数化功能外，FLUENT软件还可以结合Workbench平台下DX优化模块，能方便地实现优化分析，即优化船舶来流速度或者攻角，寻找船舶受到的最小阻力。

图4：基于FLUENT软件对某翼型阻力优化的仿真分析

5)      FLUENT具有强大的后处理技术

 FLUENT被ANSYS收购以后新推出的CFDPOST后处理模块，具有强大的3D渲染效果；能方便地对模型进行着色、透明、网格显示等处理；能同时显示云图、矢量图、流线图等功能；能方便地做出各变量随时间、空间位置变化的动画；能对多工况进行同步后处理（软件还能自动寻找两种工况的差异），也可以只需要处理一种计算结果，其它的相似工况都可以共享之前的后处理设置，大大提高后处理效率；能自动输出仿真计算报告：含有网格信息、边界条件信息、后处理图片及数据处理等信息。

图5：CFDPOST对相似工况的同步后处理