内河船舶阻力及流场数值模拟

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摘要：目前船舶阻力的估算大多根据经验公式或船模试验换算得到，模型试验则受到船模尺寸误差和花费较大的限制。随着计算机技术的发展，计算流体力学能精确的计算船舶阻力和模拟船舶周围的流场，精度好花费少。本文采用FLUENT数值模拟内河船舶的粘性流场，自由液面采用两相流（VOF）法进行计算，计算对象是典型的内河船。最终得到船舶阻力和周围粘性流场及流线情况。为具有自由液面的船舶在阻力方面的研究提供一些参考。

关键词：内河船舶；数值模拟；FLUENT；VOF；船舶阻力

引言

在船舶设计时，对船舶阻力与船体的粘性绕流的预报要求较高。而船舶阻力分为粘性阻力和兴波阻力。粘性阻力是由水的粘性引起，兴波阻力是由于自由面的存在及重力作用而产生[1]。粘性流动和自由液面的计算以前长期是分开考虑的，即用势流理论方法处理自由面，而用求解RANS方程来计算船的粘性边界层。这种分离方法没有考虑到自由面对粘性的影响。这是因为自由面的存在让流动计算变得困难，由于自由面既是求解的必要条件，又因其形状和位置并非提前知道，而是在求解过程得到[2]。随着计算流体力学的快速发展，数值模拟成为船舶领域一种有效的研究手段，船体绕流是一种高雷诺数的湍流，虽然瞬时的N-S方程可以用于描述湍流，但这个方程的非线性使得用解析的方法精确描述其全部细节非常困难。湍流模拟是计算流体力学（CFD）的关键内容之一[3]。本文是用计算流体力学软件FLUENT对船体绕流和阻力进行数值模拟和计算，并对结果进行了分析。

二、内河船舶的模拟计算

2.1创建模型

GAMBIT作为FLUENT的前处理软件，具有良好的三维建模能力。为了能真实的模拟真实的船模，本文选用23根肋骨型线建立船模。建模要经过多次的试建和反复修改。特别是为了得到较高的网格质量，提高精度。有必要对船模进行一些必要的简化和分割。模型如图2.1：

2.2设置控制域

建好模型后，要选择合适的控制域。本文采用的控制域为长方体。长、宽、高分别为351.8m、89.32m、6.08m。船首距离来流入口1倍船长，船尾距离流体出口3倍船长，坐标圆点距离横向流体控制域边界11.06m。在有自由液面的计算中因为要引入空气，该部分区域在垂直方向上流体的自由液面距离控制体顶部边界为3.4m。

2.3生成网格

在GAMBIT里划分网格，按线、面、体的顺序一步一步的划分。本文先直接划分船体表面，然后再把船体周围六个需要加密网格的面划分，然后生成体网格，最后用cooper的方法扫描其他五个体网格。由于计算的对象是船体，所以船体的网格质量和大小至关重要，它的质量好坏直接影响计算收敛性。划分情况如图2.3：

2.4边界条件

船首来流方向指向X轴负方向，对入口处3.4米以下是水流入口在该处把其设为速度入口（velocity inlet）。船尾3.4米以下控制域出口处设为自由出流边界（outflow），船体上表面所在的控制域及船首尾3.4米以上部分均设为空气压力入口。

2.5计算结果与分析

表2.5.1 阻力和阻力系数

与模型试验比较，数值模拟有着很大的好处，它既能得出所需的各种力（矩）及其相对应的系数，又能给出流场的流动情况例如动静压力分布情况、速度矢量情况等。对这些情况进行分析可以为船舶设计，运行提供参考。本船流场图如下：

由于水里兴起波浪，使静压的分布紧随波形改变而改变，如图2.5.3所示。由于水流粘性的作用流速从船首向船尾慢慢减小，以致动压也减小，如图2.5.4所示。

三、结语

本文以计算流体力学理论为基础， 以连续性方程和N-S方程为控制方程对内河船舶阻力和周围流场进行了数值模拟和分析，与物理模型试验比较， 方便高效， 无尺度效应， 费用较少。可以为具有自由液面的船舶在阻力方面的研究提供一些参考。

参考文献：

[1]王福军.计算流体动力学分析-CFD 软件原理与应用.北京：清华大学出版社，2004.

[2]刘应中， 缪国平. 船舶在波浪上的运动理论[M].上海：上海交通大学出版社，1986.

[3]基于CFD 理论的滑行艇阻力数值计算 王兆立，牛江龙，秦再白，庞永杰. 第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集.