CFD在船舶行業(yè)中的發(fā)展和應(yīng)用

1、CFD 在船舶行業(yè)中的發(fā)展和應(yīng)用 1 基本概念CFD 是采用數(shù)值計(jì)算方法來描繪流體運(yùn)動(dòng)的一門技術(shù)，其所描繪的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有以下情況：傳熱、流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)過程及固、流體之間的相互作用等。理想流體在上述所提及的運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)始終保持質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒，設(shè)定一個(gè)有限控制體并針對這個(gè)控制體分別建立動(dòng)量、質(zhì)量、和能量守恒的基本方程，運(yùn) 用數(shù)值方法取得結(jié)果即是 CFD 要處理的主要問題。船舶 CFD 方法是應(yīng)用理論流體力學(xué)或者數(shù)值流體力學(xué)方法，來計(jì)算和預(yù)報(bào)船舶水動(dòng)力性能的一種方法，其通過采用模擬牛頓不可壓縮流體三維湍流運(yùn)動(dòng)的壓力場、速度的方式來進(jìn)行計(jì)算和預(yù)報(bào)，計(jì)算和預(yù)報(bào)內(nèi)容包含了對波形狀況、伴流、阻力等的

2、研究，以及對船舶直航性能、敞水性能、操縱性能以及推進(jìn)性能等進(jìn)行研究，以達(dá)到預(yù)測船舶性能、優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)方案和對船舶周圍流場現(xiàn)象及理論 進(jìn)行分析研究的目的。2 CFD 技術(shù)的發(fā)展歷程船舶 CFD 的發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一個(gè)階段是船舶 CFD 初始發(fā)展階段，在上世紀(jì)七十年代末，英國帝國科技大學(xué)的博士生 Abdelmeguid A.M 在他的畢業(yè)論文里開創(chuàng)性的提1 / 6出了關(guān)于船舶流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法，他使用的方法來自于傳熱問 題的計(jì)算技術(shù)。第二個(gè)階段是由 1985 年到 1993 年，因?yàn)榧霸绱_定了船舶 CFD 的發(fā)展方向和目標(biāo)，所以船舶 CFD 的理論研究向著成熟化和多元化前進(jìn)。最先是

3、L.Larsson 等提出來的適用范圍較大的數(shù)值貼體網(wǎng)格生成方法，接下來是有限解析格式方法的應(yīng)用，吸引了當(dāng)時(shí)很多研究人員的目光。在這其中應(yīng)用比較成功的是格配置方法，并且由該方法導(dǎo)出了根據(jù)該速度配置的相融解法。 第三個(gè)階段是由 1993 年起到現(xiàn)在，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算數(shù)學(xué)理論的不斷完善，計(jì)算方法也呈現(xiàn)出了跨越式的發(fā)展， 很多優(yōu)秀的 CFD 程序得到了擴(kuò)散，很多商用 CFD 軟件也逐漸加入了該市場領(lǐng)域，所以很難分辨出哪種方法或者哪種軟件的計(jì)算 結(jié)果是最好的。3 目前 CFD 的發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)（1）代數(shù)方程求解法。由于偏微分方程是控制方程，它的求解過程必然會(huì)得到大線性代數(shù)方程組的求解，增

4、加迭代收斂的速度和減少內(nèi)存，使其滿足精度要求，是該算法的主要研究目標(biāo)。 （2） 計(jì)算網(wǎng)格自動(dòng)產(chǎn)生法。網(wǎng)格自動(dòng)產(chǎn)生的研究工作主要集中于對復(fù)雜幾何形狀的描述。（3）控制方程離散法。主要方法有差分法、有限體積法和 有限元法。（4）湍流模擬方法。對于例如像船舶后體部分流動(dòng)模擬的2 / 6大雷諾數(shù)流場而言，最為重要的是湍流控制方程和湍流模式。直 接數(shù)值求解法（DNM），平均雷諾 N-S 方程法（RANS），以及大 渦模擬法（DVS）是目前比較通行的主要算法。（5）不可壓縮流體的算法。當(dāng)前，壓力泊-桑算法及虛擬不可壓縮算法引起了很多研究人員的注意。因?yàn)榍罢叩膲毫鲋苯討?yīng)用方程就可以求解；而后者連續(xù)方程中的

5、壓力項(xiàng)被引入了虛擬 時(shí)間的開方，用以達(dá)到恢復(fù)雙曲線控制方程的目的。船舶 CFD 亦有著其自身獨(dú)有的特性，其如下所示：（1）自由表面：船舶常處于空氣和水這兩類流體中，但是由于空氣介質(zhì)的粘性比水介質(zhì)約小兩個(gè)量級，導(dǎo)致空氣介質(zhì)的自由表面粘性應(yīng)力非常小，常?？梢院雎圆挥?jì)，所以這種現(xiàn)象非常 接近于勢流假設(shè)。（2）船型復(fù)雜化：船舶主要是依靠靜浮力來支撐船體的。不僅周圍流體流動(dòng)現(xiàn)象較為復(fù)雜多變，而且不能有任何的簡化處 理，因此船型的數(shù)學(xué)表達(dá)方式都是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。（3）全尺度模型：CFD 采用 1：1 全尺度的幾何模型，在真實(shí)幾何尺度上進(jìn)行求解計(jì)算，避免了模型按比例縮小實(shí)驗(yàn)所帶來 的尺度效應(yīng)問題。（4）高精度要

6、求：由于船體附近具有明顯的渦旋狀結(jié)構(gòu)特征，附近梯度大，這就要求對船體尺度本身和梯度都要能夠做到 精確模擬，因此船舶 CFD 有著很高的精度要求。3 / 6（5）不可壓縮約束：我們考慮到質(zhì)量守恒方程成了約束條件，那么不存在壓力項(xiàng)的發(fā)展方程，就需要特設(shè)的技術(shù)來進(jìn)行求 解。（6）系統(tǒng)化：針對船體、螺旋槳、舵及附體等，CFD 可以總體上把握整個(gè)系統(tǒng)的整體特性，在局部上把握各組件自身的整體特性和之間的相互干擾及影響作用，避免了單獨(dú)的進(jìn)行各組件 的水動(dòng)力性能研究。（7）驗(yàn)證：模型實(shí)驗(yàn)，特別是模型的流場實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其實(shí)船的測量結(jié)果是否對應(yīng)是 CFD 計(jì)算結(jié)果正確與否的唯一驗(yàn)證標(biāo) 準(zhǔn)。和傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)相比，船舶

7、 CFD 技術(shù)更加適用于開發(fā)新船型和特殊船型，并具有明顯優(yōu)勢。值得我們注意的是基于 CFD技術(shù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)不能完全取代模型試驗(yàn)，其結(jié)果必須得到實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證，但船舶 CFD 技術(shù)可以為模型試驗(yàn)提供指導(dǎo)和幫助，使模 型試驗(yàn)在船型優(yōu)化和方案優(yōu)選的過程中效率更高。4 CFD 的商業(yè)化（1）實(shí)用性能：到現(xiàn)在為止，船舶 CFD 軟件的功能包括有船舶阻力計(jì)算、船舶操縱性能計(jì)算、螺旋槳敞水性能計(jì)算和船 - 槳配合計(jì)算等等，用以滿足設(shè)計(jì)要求。（2）可靠性能：在其擁有足夠精度的前提下，CFD 軟件才 可以對船舶水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算和預(yù)報(bào)。4 / 6（3）有效性能：CFD 軟件可以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和特定的 CAD環(huán)境下簡單

8、的生成、處理數(shù)據(jù)文件，可以通過計(jì)算機(jī)工作站來運(yùn) 行 CFD 軟件。（4）通用性能：確保同 CAD 的再聯(lián)接的必不可少的措施有：一是具備與 CAD 的良好的有效接口；二是保證 CFD 軟件運(yùn)算結(jié) 果具有相對應(yīng)的后處理措施。（5）可維護(hù)性能：CFD 軟件的維護(hù)不應(yīng)該依賴于用戶，應(yīng)具有自身維護(hù)的能力，并且應(yīng)該具有文件數(shù)據(jù)保護(hù)、法規(guī)支持和 驗(yàn)證等的能力。（6）便攜性能：CFD 軟件不受計(jì)算機(jī)機(jī)型的限制，可以自 由選擇合適的機(jī)器內(nèi)存和 CPU，方便可攜帶。5 CFD 在船舶行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)和方向目前國內(nèi) CFD 研究及發(fā)展在理論研究方面與國外研究進(jìn)展?fàn)顩r相當(dāng)，如湍流 DNS 數(shù)值模擬技術(shù)，非定常動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)研發(fā)等。但 CFD 技術(shù)的軟件化程度和商業(yè)化程度，以及在工程應(yīng)用的廣度和深度方面都與歐美國家存在較大的距離，特別是 船舶工程領(lǐng)域中 CFD 技術(shù)的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如果不能積極采取相應(yīng)措施，這一差距不但不能縮小、消除，甚至還有繼續(xù)擴(kuò)大的可能。這種狀況勢必會(huì)對我國造船行業(yè)的創(chuàng)新能力和國際競爭 力造成嚴(yán)重影響。當(dāng)務(wù)之急，必須加快突破基于 CFD 的船舶設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，逐漸完備模型與實(shí)船相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)5 / 6庫內(nèi)容，加速完善數(shù)學(xué)模型和方程，改良數(shù)值計(jì)算方法，擴(kuò)大 CFD應(yīng)用的范圍，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的手段和方式，來達(dá)到與 CAD 的有效結(jié)合。盡快建立基于 CFD 的船舶設(shè)計(jì)框架，推