基于CFD的船舶阻力预报方法分析

摘 要：在船舶行驶运输的过程中，船舶阻力是影响船舶速度的主要因素，船舶阻力性能优越不但可以提高船舶的运输效率，可以大大的節约运输成本，提高船舶的经济性能，同时对船舶的行驶安全和使用寿命都有较大的影响。船舶阻力性能的评估一直是船舶整体性能优化的重要依据，阻力的预报也是船舶工程长期研究的重要内容之一，在研究过程中中，通过分析船舶阻力的形成因素和预报手段最终总结出了通过CFD理论进行阻力预报的方法，而该方法在船舶阻力预报中已经长时间得到广泛应用，本文首先阐述了CFD船舶阻力预报方法的应用现状，然后分析了CFD的船舶阻力预报方法的优缺点，最后总结了CFD理论在船舶行业的发展目标和方向。

关键词：船舶阻力；预报方法；CFD理论计算

引言：在船舶整体运行当中最重要的性能就是阻力，船舶阻力的计算与预报一直是船舶工程发展当中所重点关注的内容，将对船舶的行驶效率、运输安全性和使用寿命产生一定的影响，现阶段船舶阻预报还是主要靠模拟实验来计算，通过模拟实验来进行预报，其精确度还是比较理想的，但是船模实验也并非是完美的，在实际操作当中还是存在着缺陷，随着计算机的发展，计算流体力学逐渐兴起，也逐渐被应用与船舶工程当中，而CDF的船舶阻力预报作为一种新型的计算方法，为现阶段船舶工程的发展做出了极大的贡献，其具有广阔的发展前景。

一、目前CFD的发展现状

近几年，随着国内科技的快速发展与创新，计算机技术的不断成熟，计算流体力学也得到了进一步发展，由于CFD计算船舶阻力的方法具有费用低廉，没有触点流场测量，没有比尺效应，同时有效排除了实验中由传感器的形态以及实验器材发生形变等不良因素对整体预报结果产生的影响，由于CDF的预报模式最终得到的整体实验数据相对清晰、全面，因此该预报方法近年来得到了船舶工程及相关产业的高度重视，在船舶生产、使用、维护的整体过程中的应用也越发广泛。在船舶流体力学当中不可压缩流动占据着主导地位，面对不可压缩流动，压力就显示不出明显的方程，这对于CFD技术的精确度有很大的挑战，同时船舶在运行当中还会引起自由表面问题，这两大问题也在对现在的CFD技术提出更高的技术水平要求。而如何将CFD方法更好的应用于船舶产业等问题，成为了世界各国的研究焦点，也更加体现出了船舶的CFD阻力预报技术的适用性和应用价值。在船舶工程领域当中，船舶CFD阻力预报技术的出现有效提高了船舶的形势效率和使用寿命，很大程度上降低了设计的成本和周期，提高产品性能的一种有利工具，在这一项技术上的深入研究一定会使船舶工程领域得到更加快速的发展。

二、基于CFD的船舶阻力预报方法的优缺点

2.1基于CFD的船舶阻力预报方法的优越性

过去采用的船舶阻力预报大多采用模型试验的手段，该过程的实验原理和操作手段虽然有很高的还原性和重现性，但是世界各地运输区域的地理、环境等多方面因素存在较大差异，同时实验水平和技术条件也都参差不齐，这就使得不同实验条件得到的最终预报结果出现的较大的差异，即使是同一个船体模型，但是遇到不同的船池也会出现不同的形状。目前来看，各种理论的计算方法在船舶性能的计算上面各有利弊，要想真正准确的还原、重现实际环境存在较大难度，为了有效解决这一难题，CFD船舶阻力预报方法也应运而生，该技术较传统的理论计算存在很强的优越性，通过CFD计算船体的形状因子，由于CFD的计算当中不存在自由面的影响，所以不会由于船体阻力加大而影响其测量值，在者相对来说，CFD的阻力预报效率和准确性得到了有效保证，因此CFD理论计算在船舶工程当中得到了广泛的应用。

2.2基于CFD的船舶阻力预报方法的局限性

CFD作为一种预报船体阻力的新型计算方式，其在船舶的性能研究领域当中已起到了重要的作用，也有着非常好的发展前景，但是在目前研究领域当中，CFD计算船体阻力的方法与预算还是存在着一定的难处，由于实际尺度船体绕流场的计算模拟网络数量非常庞大，这样庞大的数据在小型计算机工作站当中很难进行计算，虽然在模型尺度下可以采用湍流粘性理论模拟计算，这样的计算结果与模型试验的结果比较相似，但是模拟计算所用的时间较长，太耗时，虽然理想流体理论模拟计算所得到的结果不够准确，但是由于其耗时较短，并且也能预测出自由面的形状，所以在船舶工程当中被广泛应用。

三、CFD在船舶行业的发展目标和方向

现阶段，我国对CFD的研究以及发展在理论研究方面与国外的研究进展情况相当，但是在CFD技术软件化程度和商业上的运用，乃至在工程当中的应用程度还与国外有着较大的差距，尤其是在船舶工程领域当中CFD技术的应用程度远远不够，如果我国不采取一定的措施来进行进步，那么在这一技术领域的差距不仅不能缓解还会越来越大，那么这种情况的发生势必会对我国的船舶工程领域造成一定的影响。那么现在最紧要的就是加快对CFD船舶计算的各种技术的突破研究，对模型与实船的实验结果与数据内容进行更好的完善，对数字模型与方程进行进一步完善，改善数字计算的方法，逐渐扩大CFD在船舶工程当中的应用范围，加强实验的验证手法的方式，达到两者有效结合。加快建设CFD的船舶设计构架，对已有的CFD技术在船舶领域的运用进行完善，使得船舶的设计理念和模式得到了极大的转变和发展，大大提升船舶工程领域的先进技术，降低了船舶领域的设计成本，这是船舶领域CFD技术发展的主要目标。

综上所述，随着电子计算机的不断发展，船舶CFD技术也在不断进步，船舶CFD技术的应用能够提高船舶阻力预报设计的质量与设计时间，大大降低了应用成本，所以在现阶段得到了广泛应用，船舶CFD的长期目标就是要替代传统的船模实验，为船舶阻力性能预报提供一个精确的模拟工具，同时CFD的手段不单单可以应用于船舶阻力预报，换可以根据运行时的各种周边环境的变化对船舶的外型、性能和行驶速度等方面进行分析和预报，随着现今社会网络信息等高科技技术的快速发展，CFD技术必将会在船舶工程中得到更加广泛的运用，做出更大的贡献。

参考文献：

[1]郑小龙，黄胜，尚秀敏.基于CFD的船舶阻力预报方法研究[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2014，28（02）

[2]倪崇本. 基于CFD的船舶阻力性能综合研究[D].上海交通大学，2011.

[3]余建伟. 基于CFD的船舶阻力计算与预报研究[D].上海交通大学，2009.

[4]倪崇本，朱仁传，缪国平，范佘明.一种基于CFD的船舶总阻力预报方法[J].水动力学研究与进展A辑，2010，25（05）