基于CFD的船舶阻力預(yù)報方法分析

范超 張振

摘 要：在船舶行駛運(yùn)輸?shù)倪^程中，船舶阻力是影響船舶速度的主要因素，船舶阻力性能優(yōu)越不但可以提高船舶的運(yùn)輸效率，可以大大的節(jié)約運(yùn)輸成本，提高船舶的經(jīng)濟(jì)性能，同時對船舶的行駛安全和使用壽命都有較大的影響。船舶阻力性能的評估一直是船舶整體性能優(yōu)化的重要依據(jù)，阻力的預(yù)報也是船舶工程長期研究的重要內(nèi)容之一，在研究過程中中，通過分析船舶阻力的形成因素和預(yù)報手段最終總結(jié)出了通過CFD理論進(jìn)行阻力預(yù)報的方法，而該方法在船舶阻力預(yù)報中已經(jīng)長時間得到廣泛應(yīng)用，本文首先闡述了CFD船舶阻力預(yù)報方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，然后分析了CFD的船舶阻力預(yù)報方法的優(yōu)缺點，最后總結(jié)了CFD理論在船舶行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)和方向。

關(guān)鍵詞：船舶阻力；預(yù)報方法；CFD理論計算

引言：在船舶整體運(yùn)行當(dāng)中最重要的性能就是阻力，船舶阻力的計算與預(yù)報一直是船舶工程發(fā)展當(dāng)中所重點關(guān)注的內(nèi)容，將對船舶的行駛效率、運(yùn)輸安全性和使用壽命產(chǎn)生一定的影響，現(xiàn)階段船舶阻預(yù)報還是主要靠模擬實驗來計算，通過模擬實驗來進(jìn)行預(yù)報，其精確度還是比較理想的，但是船模實驗也并非是完美的，在實際操作當(dāng)中還是存在著缺陷，隨著計算機(jī)的發(fā)展，計算流體力學(xué)逐漸興起，也逐漸被應(yīng)用與船舶工程當(dāng)中，而CDF的船舶阻力預(yù)報作為一種新型的計算方法，為現(xiàn)階段船舶工程的發(fā)展做出了極大的貢獻(xiàn)，其具有廣闊的發(fā)展前景。

一、目前CFD的發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，隨著國內(nèi)科技的快速發(fā)展與創(chuàng)新，計算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，計算流體力學(xué)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，由于CFD計算船舶阻力的方法具有費用低廉，沒有觸點流場測量，沒有比尺效應(yīng)，同時有效排除了實驗中由傳感器的形態(tài)以及實驗器材發(fā)生形變等不良因素對整體預(yù)報結(jié)果產(chǎn)生的影響，由于CDF的預(yù)報模式最終得到的整體實驗數(shù)據(jù)相對清晰、全面，因此該預(yù)報方法近年來得到了船舶工程及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高度重視，在船舶生產(chǎn)、使用、維護(hù)的整體過程中的應(yīng)用也越發(fā)廣泛。在船舶流體力學(xué)當(dāng)中不可壓縮流動占據(jù)著主導(dǎo)地位，面對不可壓縮流動，壓力就顯示不出明顯的方程，這對于CFD技術(shù)的精確度有很大的挑戰(zhàn)，同時船舶在運(yùn)行當(dāng)中還會引起自由表面問題，這兩大問題也在對現(xiàn)在的CFD技術(shù)提出更高的技術(shù)水平要求。而如何將CFD方法更好的應(yīng)用于船舶產(chǎn)業(yè)等問題，成為了世界各國的研究焦點，也更加體現(xiàn)出了船舶的CFD阻力預(yù)報技術(shù)的適用性和應(yīng)用價值。在船舶工程領(lǐng)域當(dāng)中，船舶CFD阻力預(yù)報技術(shù)的出現(xiàn)有效提高了船舶的形勢效率和使用壽命，很大程度上降低了設(shè)計的成本和周期，提高產(chǎn)品性能的一種有利工具，在這一項技術(shù)上的深入研究一定會使船舶工程領(lǐng)域得到更加快速的發(fā)展。

二、基于CFD的船舶阻力預(yù)報方法的優(yōu)缺點

2.1基于CFD的船舶阻力預(yù)報方法的優(yōu)越性

過去采用的船舶阻力預(yù)報大多采用模型試驗的手段，該過程的實驗原理和操作手段雖然有很高的還原性和重現(xiàn)性，但是世界各地運(yùn)輸區(qū)域的地理、環(huán)境等多方面因素存在較大差異，同時實驗水平和技術(shù)條件也都參差不齊，這就使得不同實驗條件得到的最終預(yù)報結(jié)果出現(xiàn)的較大的差異，即使是同一個船體模型，但是遇到不同的船池也會出現(xiàn)不同的形狀。目前來看，各種理論的計算方法在船舶性能的計算上面各有利弊，要想真正準(zhǔn)確的還原、重現(xiàn)實際環(huán)境存在較大難度，為了有效解決這一難題，CFD船舶阻力預(yù)報方法也應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)較傳統(tǒng)的理論計算存在很強(qiáng)的優(yōu)越性，通過CFD計算船體的形狀因子，由于CFD的計算當(dāng)中不存在自由面的影響，所以不會由于船體阻力加大而影響其測量值，在者相對來說，CFD的阻力預(yù)報效率和準(zhǔn)確性得到了有效保證，因此CFD理論計算在船舶工程當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2基于CFD的船舶阻力預(yù)報方法的局限性

CFD作為一種預(yù)報船體阻力的新型計算方式，其在船舶的性能研究領(lǐng)域當(dāng)中已起到了重要的作用，也有著非常好的發(fā)展前景，但是在目前研究領(lǐng)域當(dāng)中，CFD計算船體阻力的方法與預(yù)算還是存在著一定的難處，由于實際尺度船體繞流場的計算模擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)量非常龐大，這樣龐大的數(shù)據(jù)在小型計算機(jī)工作站當(dāng)中很難進(jìn)行計算，雖然在模型尺度下可以采用湍流粘性理論模擬計算，這樣的計算結(jié)果與模型試驗的結(jié)果比較相似，但是模擬計算所用的時間較長，太耗時，雖然理想流體理論模擬計算所得到的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，但是由于其耗時較短，并且也能預(yù)測出自由面的形狀，所以在船舶工程當(dāng)中被廣泛應(yīng)用。

三、CFD在船舶行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)和方向

現(xiàn)階段，我國對CFD的研究以及發(fā)展在理論研究方面與國外的研究進(jìn)展情況相當(dāng)，但是在CFD技術(shù)軟件化程度和商業(yè)上的運(yùn)用，乃至在工程當(dāng)中的應(yīng)用程度還與國外有著較大的差距，尤其是在船舶工程領(lǐng)域當(dāng)中CFD技術(shù)的應(yīng)用程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如果我國不采取一定的措施來進(jìn)行進(jìn)步，那么在這一技術(shù)領(lǐng)域的差距不僅不能緩解還會越來越大，那么這種情況的發(fā)生勢必會對我國的船舶工程領(lǐng)域造成一定的影響。那么現(xiàn)在最緊要的就是加快對CFD船舶計算的各種技術(shù)的突破研究，對模型與實船的實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行更好的完善，對數(shù)字模型與方程進(jìn)行進(jìn)一步完善，改善數(shù)字計算的方法，逐漸擴(kuò)大CFD在船舶工程當(dāng)中的應(yīng)用范圍，加強(qiáng)實驗的驗證手法的方式，達(dá)到兩者有效結(jié)合。加快建設(shè)CFD的船舶設(shè)計構(gòu)架，對已有的CFD技術(shù)在船舶領(lǐng)域的運(yùn)用進(jìn)行完善，使得船舶的設(shè)計理念和模式得到了極大的轉(zhuǎn)變和發(fā)展，大大提升船舶工程領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，降低了船舶領(lǐng)域的設(shè)計成本，這是船舶領(lǐng)域CFD技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)。

綜上所述，隨著電子計算機(jī)的不斷發(fā)展，船舶CFD技術(shù)也在不斷進(jìn)步，船舶CFD技術(shù)的應(yīng)用能夠提高船舶阻力預(yù)報設(shè)計的質(zhì)量與設(shè)計時間，大大降低了應(yīng)用成本，所以在現(xiàn)階段得到了廣泛應(yīng)用，船舶CFD的長期目標(biāo)就是要替代傳統(tǒng)的船模實驗，為船舶阻力性能預(yù)報提供一個精確的模擬工具，同時CFD的手段不單單可以應(yīng)用于船舶阻力預(yù)報，換可以根據(jù)運(yùn)行時的各種周邊環(huán)境的變化對船舶的外型、性能和行駛速度等方面進(jìn)行分析和預(yù)報，隨著現(xiàn)今社會網(wǎng)絡(luò)信息等高科技技術(shù)的快速發(fā)展，CFD技術(shù)必將會在船舶工程中得到更加廣泛的運(yùn)用，做出更大的貢獻(xiàn)。

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