基于SHIPFLOW軟件的某集裝箱船的阻力計算分析

田中文　何珍　伍蓉暉　王金明

摘 要：利用SHIPFLOW軟件來計算船舶阻力是目前比較常見的方法。本文對某集裝箱船在滿足總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，基于船東營運需求，采取多工況、多航速優(yōu)化技術(shù)，同時在優(yōu)化中重點關(guān)注淺吃水和中、低航速工況，設(shè)定營運工況優(yōu)化權(quán)重進行優(yōu)化。最后，利用三因次換算法對優(yōu)化后的船型進行阻力預(yù)報，并與船模實驗進行了對比，結(jié)果表明，預(yù)報誤差在-4%～3%之間，滿足工程使用要求，驗證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：SHIPFLOW；優(yōu)化權(quán)重；阻力預(yù)報；計算精度

中圖分類號：U663.31 文獻標識碼：A

Abstract： It is a common method to compute the ship resistance reduction by SHIPFLOW. On the basis of overall design of a feeder container vessel， considering the ships operational profile， multi objects optimization technology is adopted， focusing on shallow draught and medium and low speed conditions to optimize the resistance. Three-dimensional Extrapolation method is used to predict the ship resistance. The error is -4%～3% by comparing the results of CFD calculation and model test， which is accepted in engineering scope， and the feasibility of the prediction method based on SHIPFLOW is also validated.

Key words： SHIPFLOW； Optimized weight； Resistance prediction； Calculation accuracy

1 前言

目前，商用船舶CFD軟件較多，主要有RAPID、SHIPFLOW、V-SHALLO等，這些軟件都有一個共同特點，即在船型設(shè)計前期優(yōu)化中都能快速的進行多方案阻力預(yù)估，這對于船型的開發(fā)階段是必不可少的。

船舶專用CFD軟件SHIPFLOW在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用非常廣泛，本文通過采用SHIPFLOW軟件計算方形系數(shù)小于0.7的支線集裝箱船阻力，在船型優(yōu)化過程中比較分析多個船型方案的流場和阻力，經(jīng)過篩選最終得到具有較佳流場分布、船體表面壓力梯度緩和水面興波較小、快速性較佳的船體線型。

2 計算區(qū)域法

根據(jù)SHIPFLOW軟件的功能模塊和技術(shù)特點，采用分區(qū)域的方法預(yù)測報船體（含附體）阻力與船體在波浪中的響應(yīng)運動，實現(xiàn)船舶自航及螺旋槳性能等仿真分析【1】。

如圖1所示 。

（1）區(qū)域1為勢流區(qū)，涵蓋了整個船體和周邊自由液面的一部分，采用基于Dawson方法的二階面元法計算勢流；SHIPFLOW 軟件在該區(qū)域應(yīng)用Rankine 源法，根據(jù)線性、非線性自由表面邊界條件進行高階面元法的勢流理論計算；

（2）區(qū)域2為作用在船體表面上的薄邊界層區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)利用邊界層方法求出沿物面的邊界層厚度分布，并對該區(qū)域內(nèi)使用動量積分法求出作用力。該求解模塊需要使用勢流壓力分布作為輸入?yún)?shù)，計算既能從駐點開始也可直接從給定站開始解湍流方程。通過船體邊界層的計算，可以得到前部2/3 船體上的摩擦阻力[7]；

（3）區(qū)域3為粘流計算，包括船體的后部以延伸到船體下游半個船長的流體區(qū)域，在徑向方向也有半個船長大小區(qū)域覆蓋。采用雷諾平均的Navier -Stokes方程，可通過k-ε湍流模型和壁面函數(shù)進行求解[5][6]。對于粘流的計算，SHIPFLOW 采用基于有限體積法的RANS 求解器——XCHAP 求解模塊，計算中RANS 方程解的邊界條件由前面的勢流和邊界層計算獲得。通過該求解方法即可得到船體表面的壓力分布，對船體濕表面積分即可計算船體所受到的粘性流體作用力，取其運動方向分量即為船舶粘性阻力Rv。通過這種分區(qū)分步求解方法，最后可以得到船舶在航行中所受到的總阻力值[8]。

3 數(shù)值計算與分析

3.1 計算模型

本文采用的模型船為某集裝箱船，其參數(shù)見表1。

3.2 優(yōu)化工況及型線

在滿足總體設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，采取多工況、多航速目標優(yōu)化技術(shù)，在線型優(yōu)化中重點關(guān)注淺吃水和中、低航速工況，見表2。

從圖2可以看出，優(yōu)化線型主要集中在球鼻首以及船體的首肩處，對尾部只進行了少量優(yōu)化。

3.3 阻力預(yù)報和網(wǎng)格劃分

阻力系數(shù)CT計算公式如下：

（1）

式中：

CF為軟件通過粘性計算出來的摩擦阻力系數(shù)；

CPV為軟件通過粘性計算出來的粘壓阻力系數(shù)；

CV為為軟件通過粘性計算出來的粘性阻力系數(shù)；

K為軟件自動計算出來的形狀因子；

Cw為壓力積分法求得的興波阻力系數(shù)，其數(shù)值比船模實驗結(jié)果高，故本文采用橫切波法來計算興波阻力。

SHIPFLOW的網(wǎng)格劃分主要為自動化分：勢流計算時采用medium網(wǎng)格；粘流計算時采用fine網(wǎng)格模式；尾部均采用transom命令。

3.4 水動力性能分析

一個船型的優(yōu)化判斷主要通過自由液面的波形圖和波剖圖，以及船體表面的壓力系數(shù)分布來查看。

3.4.1 波形圖及波剖圖

（1）Fn=0.229 0情況

由圖3（a）可以看出，在首柱處原始線型與優(yōu)化線型沒有明顯提升；由圖4（a）可以看出，首柱處的波高沿船尾方向延遲，波幅提升了4.59%；波形圖中首肩處的波谷位置優(yōu)化模型相對原始模型提前，且波幅降低了36.99%；對于船中部，優(yōu)化后的船型波長變長，其靠船尾方向的波谷延遲出現(xiàn)且波幅明顯降低；而對于尾柱以及方尾以后的區(qū)域，前后船型變化可忽略不計。因此從整體來看，優(yōu)化后的散波數(shù)量由原始的5個降為4個，且幅值明顯變小，同時散波與橫波的分離顯著，相互干擾少；

（2）Fn=0.185 7情況

在首柱處優(yōu)化后波幅降低明顯，最大正波幅降低26.18%；在波剖圖中其波形由正弦曲線形式變?yōu)檫B續(xù)微波形式；對于船中部，由原始船型有2個波變?yōu)?個波，且波幅減小，；對于尾柱以及方尾以后的區(qū)域，與Fn=0.229 0的變化一樣，前后船型變化可忽略不計。因此整體來看，散波數(shù)量沒有變化，只是降低了波幅，同時除在船中向前部散波與船體的行波有所干擾外，其余部位兩者均分離明顯。

3.4.2 壓力系數(shù)分布

見圖5。

（1）Fn=0.229 0情況。

由圖5（a）可知，優(yōu)化船型的前段壓力分布較原始船型更為均勻，尤其在球首表面的負壓區(qū)范圍明顯縮小，故船體阻力必然降低；船中處的壓力系數(shù)減小，其兩端的負壓區(qū)中心外擴，平均壓力系數(shù)逐漸均衡；而尾軸以及尾部區(qū)域無明顯變化。

（2）Fn=0.185 7情況。

由圖5（b）可知，和Fn=0.2290的壓力分布特性相似，其表現(xiàn)比較明顯的是在首肩處由高低激變壓力區(qū)域變?yōu)榫鶆蚍植紖^(qū)域，說明優(yōu)化船型表現(xiàn)出更好的水動力性能。

3.5 阻力優(yōu)化對比

表2的優(yōu)化權(quán)重表，在實際上是很難達到三者同時優(yōu)化的目的，因為對于壓載工況的優(yōu)化是困難的：一是該情況下計算大部分是無法收斂的，二是實際運營持續(xù)時間較短，故暫時不予考慮。

從表3 計算結(jié)果來看，本船在設(shè)計吃水工況各個速度點下興波阻力減阻效果總體表現(xiàn)良好，隨速度的增大減阻效果由33.27%降為22.32%，但總阻力減阻效果則隨速度增大由-4.20%增加到0.08%，繼而又下降到-4.19%，表現(xiàn)出兩端速度點降阻比例大、中間速度點降阻比例小的現(xiàn)象，這與我們所期望的優(yōu)化目標大體相符。

在結(jié)構(gòu)吃水工況下， 我們分別對15 kn和17 kn設(shè)定了10%和30%的優(yōu)化權(quán)重，計算結(jié)果15 kn時的興波阻力增大5.92%，而17.0 kn的興波阻力減小-2.35%，其總阻力分別增大0.67%和1.37%，顯示該工況下的優(yōu)化減阻效果不佳，與預(yù)期目標不符；而對于12 kn和18.5 kn工況，計算結(jié)果12 kn時興波阻力減小了-7.45%，總阻力降低-0.79%；18.5 kn時興波阻力增加了11.37%，總阻力增加4.03%，表明該線型在低速段的阻力還是得了優(yōu)化，而在超出營運航速18.5 kn時阻力增加了不少。由此可知其總體特性呈現(xiàn)差異性，這說明在滿足設(shè)計吃水狀態(tài)下的優(yōu)化前提下，對結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)的優(yōu)化難以兼顧或未能達到，這也是后續(xù)需要持續(xù)研究的一個方面。

3.6 數(shù)值計算對比

優(yōu)化船型船模實驗在SSSRI進行，通過比較可知整體預(yù)報趨勢一致：在設(shè)計吃水下，當Fn≤0.18時Ct系數(shù)曲線吻合；當Fn>0.18時曲線出現(xiàn)波動，其計算誤差由大逐漸變?。粚τ诮Y(jié)構(gòu)吃水下，計算Ct曲線較為光順，與實驗Ct曲線在Fn=0.18處有交點，其計算誤差由負值逐漸變?yōu)檎?，精度隨著Fn的增大而逐漸提高。

在低速狀態(tài)下，計算值明顯小于實驗值且偏差較高速時大，無論是船模實驗還是數(shù)值模擬，細微的干擾都會使實驗值或計算值產(chǎn)生較大的波動，因此在低航速下的阻力值和實驗值具有不穩(wěn)定性，當傅汝德數(shù)逐漸增大時，其計算精度逐漸提高。

4 結(jié)論

經(jīng)過上面計算分析，對于方形系數(shù)CB<0.7的支線集裝箱船來說：

（1）船型對阻力性能的影響是與船速密切聯(lián)系的，作為一艘中低速集裝箱船（Fn=0.136 2～0.247 6），其設(shè)計航速的傅汝德數(shù)為0.229，此時興波阻力所占總阻力成分隨之增大；而在低航速（Fn=0.185 7）運行工況興波阻力較小，其總阻力中摩擦阻力與粘壓阻力占主要成分，在優(yōu)化中應(yīng)重點考慮減小該兩種阻力；

（2）基于營運工況進行多目標工況線型優(yōu)化，采用CFD計算各吃水、工況下的阻力來分析各工況下的阻力特性，指導(dǎo)優(yōu)化方向；采用勢流興波數(shù)值計算與粘流場RANS 求解器相結(jié)合的辦法，提高了優(yōu)化效率和可靠性；

（3）基于SHIPFLOW軟件采用三因次法來預(yù)報船舶阻力，與船模實驗計算結(jié)果吻合度高，計算誤差在-4%～3%以內(nèi)，在前期方案設(shè)計和阻力預(yù)報分析方面可以滿足工程設(shè)計需要；

（4）后續(xù)還需進一步研究相關(guān)計算及船模試驗預(yù)報技術(shù)，分析各類計算和船模試驗結(jié)果的預(yù)報差異，逐步獲得更準確地結(jié)果。

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