CFD在船舶行业中的发展和应用

1、CFD 在船舶行业中的发展和应用 1 基本概念CFD 是采用数值计算方法来描绘流体运动的一门技术，其所描绘的流体运动状态有以下情况：传热、流动、化学反应过程及固、流体之间的相互作用等。理想流体在上述所提及的运动过程中会始终保持质量、动量和能量守恒，设定一个有限控制体并针对这个控制体分别建立动量、质量、和能量守恒的基本方程，运 用数值方法取得结果即是 CFD 要处理的主要问题。船舶 CFD 方法是应用理论流体力学或者数值流体力学方法，来计算和预报船舶水动力性能的一种方法，其通过采用模拟牛顿不可压缩流体三维湍流运动的压力场、速度的方式来进行计算和预报，计算和预报内容包含了对波形状况、伴流、阻力等的

2、研究，以及对船舶直航性能、敞水性能、操纵性能以及推进性能等进行研究，以达到预测船舶性能、优化船舶设计方案和对船舶周围流场现象及理论 进行分析研究的目的。2 CFD 技术的发展历程船舶 CFD 的发展历程主要经历了三个阶段，第一个阶段是船舶 CFD 初始发展阶段，在上世纪七十年代末，英国帝国科技大学的博士生 Abdelmeguid A.M 在他的毕业论文里开创性的提1 / 6出了关于船舶流动的数值计算方法，他使用的方法来自于传热问 题的计算技术。第二个阶段是由 1985 年到 1993 年，因为及早确定了船舶 CFD 的发展方向和目标，所以船舶 CFD 的理论研究向着成熟化和多元化前进。最先是

3、L.Larsson 等提出来的适用范围较大的数值贴体网格生成方法，接下来是有限解析格式方法的应用，吸引了当时很多研究人员的目光。在这其中应用比较成功的是格配置方法，并且由该方法导出了根据该速度配置的相融解法。 第三个阶段是由 1993 年起到现在，随着计算机技术的飞速发展和计算数学理论的不断完善，计算方法也呈现出了跨越式的发展， 很多优秀的 CFD 程序得到了扩散，很多商用 CFD 软件也逐渐加入了该市场领域，所以很难分辨出哪种方法或者哪种软件的计算 结果是最好的。3 目前 CFD 的发展现状及特点（1）代数方程求解法。由于偏微分方程是控制方程，它的求解过程必然会得到大线性代数方程组的求解，增

4、加迭代收敛的速度和减少内存，使其满足精度要求，是该算法的主要研究目标。 （2） 计算网格自动产生法。网格自动产生的研究工作主要集中于对复杂几何形状的描述。（3）控制方程离散法。主要方法有差分法、有限体积法和 有限元法。（4）湍流模拟方法。对于例如像船舶后体部分流动模拟的2 / 6大雷诺数流场而言，最为重要的是湍流控制方程和湍流模式。直 接数值求解法（DNM），平均雷诺 N-S 方程法（RANS），以及大 涡模拟法（DVS）是目前比较通行的主要算法。（5）不可压缩流体的算法。当前，压力泊-桑算法及虚拟不可压缩算法引起了很多研究人员的注意。因为前者的压力场直接应用方程就可以求解；而后者连续方程中的

5、压力项被引入了虚拟 时间的开方，用以达到恢复双曲线控制方程的目的。船舶 CFD 亦有着其自身独有的特性，其如下所示：（1）自由表面：船舶常处于空气和水这两类流体中，但是由于空气介质的粘性比水介质约小两个量级，导致空气介质的自由表面粘性应力非常小，常常可以忽略不计，所以这种现象非常 接近于势流假设。（2）船型复杂化：船舶主要是依靠静浮力来支撑船体的。不仅周围流体流动现象较为复杂多变，而且不能有任何的简化处 理，因此船型的数学表达方式都是相当的复杂。（3）全尺度模型：CFD 采用 1：1 全尺度的几何模型，在真实几何尺度上进行求解计算，避免了模型按比例缩小实验所带来 的尺度效应问题。（4）高精度要

6、求：由于船体附近具有明显的涡旋状结构特征，附近梯度大，这就要求对船体尺度本身和梯度都要能够做到 精确模拟，因此船舶 CFD 有着很高的精度要求。3 / 6（5）不可压缩约束：我们考虑到质量守恒方程成了约束条件，那么不存在压力项的发展方程，就需要特设的技术来进行求 解。（6）系统化：针对船体、螺旋桨、舵及附体等，CFD 可以总体上把握整个系统的整体特性，在局部上把握各组件自身的整体特性和之间的相互干扰及影响作用，避免了单独的进行各组件 的水动力性能研究。（7）验证：模型实验，特别是模型的流场实验结果与其实船的测量结果是否对应是 CFD 计算结果正确与否的唯一验证标 准。和传统的模型试验相比，船舶

7、 CFD 技术更加适用于开发新船型和特殊船型，并具有明显优势。值得我们注意的是基于 CFD技术的计算和设计不能完全取代模型试验，其结果必须得到实验 验证，但船舶 CFD 技术可以为模型试验提供指导和帮助，使模 型试验在船型优化和方案优选的过程中效率更高。4 CFD 的商业化（1）实用性能：到现在为止，船舶 CFD 软件的功能包括有船舶阻力计算、船舶操纵性能计算、螺旋桨敞水性能计算和船 - 桨配合计算等等，用以满足设计要求。（2）可靠性能：在其拥有足够精度的前提下，CFD 软件才 可以对船舶水动力性能进行计算和预报。4 / 6（3）有效性能：CFD 软件可以在计算机系统和特定的 CAD环境下简单

8、的生成、处理数据文件，可以通过计算机工作站来运 行 CFD 软件。（4）通用性能：确保同 CAD 的再联接的必不可少的措施有：一是具备与 CAD 的良好的有效接口；二是保证 CFD 软件运算结 果具有相对应的后处理措施。（5）可维护性能：CFD 软件的维护不应该依赖于用户，应具有自身维护的能力，并且应该具有文件数据保护、法规支持和 验证等的能力。（6）便携性能：CFD 软件不受计算机机型的限制，可以自 由选择合适的机器内存和 CPU，方便可携带。5 CFD 在船舶行业的发展目标和方向目前国内 CFD 研究及发展在理论研究方面与国外研究进展状况相当，如湍流 DNS 数值模拟技术，非定常动态数值模拟技术研发等。但 CFD 技术的软件化程度和商业化程度，以及在工程应用的广度和深度方面都与欧美国家存在较大的距离，特别是 船舶工程领域中 CFD 技术的应用还远远不够，如果不能积极采取相应措施，这一差距不但不能缩小、消除，甚至还有继续扩大的可能。这种状况势必会对我国造船行业的创新能力和国际竞争 力造成严重影响。当务之急，必须加快突破基于 CFD 的船舶设计中的各项关键技术，逐渐完备模型与实船相关实验结果的数据5 / 6库内容，加速完善数学模型和方程，改良数值计算方法，扩大 CFD应用的范围，增强实验验证的手段和方式，来达到与 CAD 的有效结合。尽快建立基于 CFD 的船舶设计框架，推