全解STAR-CCM+海洋船舶风机潜艇工程仿真技术（附视频教程）

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导读：随着计算机技术和仿真技术的飞速发展，海洋船舶仿真研究在船舶设计、性能评估、安全分析以及优化改进等方面发挥着越来越重要的作用。海洋船舶仿真研究是一个综合性的研究领域，旨在通过计算机技术和仿真软件模拟船舶在各种工况下的运行状态和性能表现，以达到优化设计、提高性能、降低成本和增强安全性的目的。

《STAR-CCM 海洋船舶仿真理论应用182讲》全解海洋船舶风机潜艇工程仿真技术，涵盖自航/变形/舵效/破冰/减阻/晃荡/撞桥/系泊/拖航/气穴/噪声/ 优化仿真技术。这是笔者原创且首发在仿真秀独家视频教材，为订阅用户提供VIP群和答疑服务等。

一、海洋船舶仿真的目的

海洋船舶仿真的目的，一是优化设计，通过仿真模拟，可以提前发现设计中的问题，对船舶结构、设备、武器系统等进行优化，提高船舶的整体性能。二是性能评估，评估船舶在不同海况、不同载荷条件下的性能表现，包括航行稳定性、阻力、推进效率等，为船舶的设计和制造提供数据支持。三是降低成本，通过仿真可以减少实物试验的次数，降低试验成本，同时缩短研发周期，提高研发效率。四是增强安全性，通过仿真模拟船舶在极端工况下的表现，评估船舶的安全性能，为船舶的安全运行提供保障。

二、海洋船舶仿真的内容有哪些

通过仿真技术对海洋船舶进行仿真，主要包括：船舶流体动力学仿真，模拟船舶在水中的流动特性，评估船体形状、舵设计和螺旋桨配置对船舶阻力和推进效率的影响，优化船体设计以减少阻力。结构强度仿真，评估船舶结构在不同载荷条件下的应力、应变分布，确保船舶结构的安全性和可靠性。船舶操纵性仿真，模拟船舶在不同工况下的操纵性能，包括转向、加速、减速等，评估船舶的操纵稳定性和安全性。船舶碰撞与破损仿真，模拟船舶与其他物体（如桥梁、冰山等）的碰撞过程，评估碰撞对船舶结构的影响，为船舶的防撞设计和安全评估提供依据。船舶与海洋环境相互作用仿真，考虑波浪、海流、风等海洋环境因素对船舶运动的影响，评估船舶在复杂海洋环境中的性能表现。

三、海洋船舶仿真的作用

通过对海洋船舶进行仿真可以提升设计质量，通过仿真模拟，可以及时发现并纠正设计中的不足，提高船舶的设计质量和性能表现。降低研发风险，仿真模拟可以在虚拟环境中进行多次试验和优化，减少实物试验的次数和风险。提高经济效益，通过优化设计和减少试验成本，可以降低船舶的制造成本和研发周期，提高经济效益。增强安全性，通过仿真模拟船舶在极端工况下的表现，可以评估船舶的安全性能并采取相应的防护措施，确保船舶的安全运行。推动技术创新，海洋船舶仿真研究是船舶技术创新的重要手段之一，通过不断的研究和探索可以推动船舶技术的不断进步和发展。

船舶仿真计算方法验证

四、海洋船舶仿真的基本知识

1、什么是船舶阻力

船体在水中运动时引起水体复杂的流动，相应地，船体也受到了水的阻力作用，阻力产生的原因可以从以下三方面来分析：

（1）船体在静水中航行时，水会随着船体的运动在水面上产生波浪，航速越高，兴起的波浪越明显。水面波浪的产生时刻影响着船体表面的压力分布，船首的波峰使船首压力增加，而船尾处的波谷又使得该处的压力下降，因此船首船尾产生了压力差。这种由兴波引起的船首船尾压力的改变而产生的阻力就叫做兴波阻力，可以用Rw 表示。

（2）由于水的粘性作用，在船体表面会形成很薄的边界层。船体运动时会带动这部分水的流动，边界层内的速度梯度相对较大，船体表面就受到了剪切应力，在船体航行方向上的合力就是船体摩擦阻力，即Rf。

（3）船体在航行过程中一般会在船尾形成漩涡，漩涡产生的根本原因是水具有粘性，而这种漩涡一般在船型肥大的船尾处比较明显。产生漩涡的地方压力一般比较小，因此船首船尾处形成了压力差。这种由于水的粘性作用而导致了船表面产生压力差进而产生的阻力就叫做粘压阻力，可以用Rpv 表示。

2、阻力的相似定律

为了解决船舶阻力的表示形式问题，分别对粘性阻力和兴波阻力采用流体力学相似理论进行了分析，并得出了相应的雷诺定律和傅汝德定律。雷诺定律—粘性阻力相似定律，当在深潜航行时，不计流体重力影响，其所受阻力为粘性阻力，粘性阻力R_V 与水的质量密度ρ，物体长度" L,速度v,水的运动粘性系数ν有关

粘性阻力系数C_v

傅汝德定律—兴波阻力相似定律

当船模与实船几何相似且傅汝德数相等时，那么两者的兴波阻力系数亦必相等。

兴波阻力是流体质量密度ρ、船长L、船速v以及重力加速度g的函数,兴波阻力系数只是和傅汝德数有关

3、螺旋桨水动力性能

螺旋桨是船舶的推进装置，其敞水性能对于船舶的快速性极为重要。螺旋桨模型的敞水试验不仅能测定和分析螺旋桨的性能，还可配合自航试验对推进效率的成分进行分析。

螺旋桨性能数据包括前进系数、推力系数、扭矩系数和敞水效率。

前进系数J

推力系数

扭矩系数

敞水效率

T是螺旋桨产生的推力

Q是螺旋桨产生的扭矩

𝜌 是水的密度

𝑛 是螺旋桨的转速

𝐷 是螺旋桨直径

4、海洋船舶仿真所用的方法

在海洋船舶仿真中最常用的方法就是VOF法，动态流体相互作用，以及流固耦合方法

（1）VOF方法

VOF方法也叫流体体积方法，属于交界面捕捉方法系列，可预测不混溶相交界面的分布和移动，该建模方法假设网格分辨率足以求解相之间的交界面位置和形状，流体体积 (VOF) 多相模型是一种简单的多相模型，适用于模拟数值网格（能够求解混合物的相之间的交界面）上的多个不混溶流体流，不需要额外对相间相互作用进行建模，并且所有相共享速度、压力和温度场的模型假设将成为离散化误差。

（2）VOF波

VOF 波模型用于模拟轻流体和重流体之间的交界面上的表面重力波，稳定前进的周期波列是在海岸和海洋工程应用中常用的模型，用于提供由波导致的流体速度、压力和表面高程，模型假设波传播稳定不变（稳态波问题），可以采用三个物理长度尺度唯一指定并求解波列：水深、波长和波高。

VOF 波模型包括：

平波，平波表示平静的水面。
一阶波，使用斯托克斯波理论的一阶近似对一阶波建模。此近似生成具有规则周期性正弦分布的波。
五阶波，使用斯托克斯波理论的五阶近似对五阶波建模。此波比一阶方法生成的波更类似于实际的波。波形和波相速度取决于水深、波高和水流。
叠加波，叠加波是不同部分一阶波的线性叠加。它可以用于模拟较复杂的波现象，如横浪或频谱波。横浪是两个波系统以倾斜角度前行的海浪状态。当一个天气系统中的水波继续前进而不管风向变化时，可能发生这种状态。
椭圆余弦波，椭圆余弦波用于浅水应用，其波长远大于水深（即波长比水深大十倍）。对一阶和五阶波建模的斯托克斯波理论不适用于这些应用。
不规则波，不规则波可用于通过波谱（即垂直海面位移的功率谱密度函数）描述短期海波状态。

（3）动态流体相互作用DFBI

动态流体相互作用 (DFBI) 用于定义机械和多物理场相互作用（流动、DEM、固体应力、EMAG）生成的位移和旋转来模拟 6 自由度体的运动。通过在每个时间步中，将在刚体上施加合力与力矩，求解运动的控制方程以查找刚体的新位置和方向。

（4）流固耦合

流固耦合也叫流体结构相互作用 (FSI)，流体结构相互作用 (FSI) 是指一种耦合的表面问题，其中流体模型的状态取决于结构模型的状态，结构模型受到的力取决于流体模型。从流体传递到固体的信息是流体拉力，由流体压力和壁面剪切应力组成的。此传递发生在耦合壁面边界（流体-结构交界面）上。从固体传递到流体的信息是固体的变形，尤其是流体-结构交界面的变形。FSI 模拟流体和固体在运动学和力方面保持一致为双向耦合问题。在某些条件下，这种完全一致性会被打破，模拟可视为单向耦合问题。例如，如果固体变形对流体的影响可以忽略不计，则模拟可视为单向耦合流体到结构模拟。此时，信息被视为仅按从流体到结构的方向传递。同样，可以认为流体模型是独立的，而固体模型与流体拉力存在关联。如果流体拉力对固体的影响可以忽略不计，则模拟被视为单向耦合结构到流体问题。此时，信息仅按从结构到流体的方向传递。同样，可以认为固体模型是独立的，而流体模型与固体变形存在关联。流固耦合中，流体采用有限体积法求解，固体采用有限元求解，交界面通过映射传递数据。

(5) 协同仿真

在船舶流固耦合仿真中，最常用的是STAR-CCM+与Abaqus的联合仿真，STAR-CCM+ 和 Abaqus协同仿真涉及两个代码之间的强耦合。数据以频密间隔（称为耦合步）进行交换。利用求解器之间的这种水平的通信，可以获得整个流体/固体交界面的完全求解。

在耦合中，STAR-CCM+ 将拉力负载传递给 Abaqus（压力 + 壁面剪应力），而 Abaqus 将位移传递给 STAR-CCM+。在 Abaqus 中，拉力负载作用于固体结构的表面。STAR-CCM+ 中，位移作为网格变形器输入使用。在协同仿真中，通过使用 SIMULIA 协同仿真引擎STAR-CCM+ 和 Abaqus 之间自动交换数据。这种方法不同于基于文件的方法，这是因为两种代码之间的耦合相当强烈，而且 STAR-CCM+ 和 Abaqus 同时运行。要创建协同仿真，必须分别为流体和固体域准备单独的模型。在 Abaqus 创建固体模型，并在 Abaqus 输入文件中定义。在 STAR-CCM+ 模拟中创建流体模型，并且在该模拟中定义适当的边界条件和物理属性。对于每个模型，必须指定一组协同仿真参数。这些参数确定构成流体结构交界面的边界/表面、由交界面导入/导出的场数据、耦合步骤的频率等。当设置完成后，使用 STAR-CCM+ 来运行协同仿真。

在运行协同仿真之前，先分别运行流体模型和固定模型的单独案例以便确定这些模型各自收敛。

五、海洋船舶仿真案例

以下内容已经收录在我发布在仿真秀独家视频教程，《STAR-CCM 海洋船舶仿真理论应用182讲》全解海洋船舶风机潜艇工程仿真技术，涵盖自航/变形/舵效/破冰/减阻/晃荡/撞桥/系泊/拖航/气穴/噪声/ 优化仿真技术。主要包括：

1、带螺旋桨的船舶自航仿真

带螺旋桨的船舶自航仿真研究对于理解船舶推进性能及优化船体设计具有重要意义。在仿真中，需综合考虑螺旋桨与船体之间的相互作用，包括桨舵干扰、尾流影响等。通过滑移网格技术，可以模拟螺旋桨旋转时的水流变化及其对船体阻力和推进效率的影响。例如，某高速客船通过CAE仿真优化了船体形状，减少了5%的阻力，提高了航行效率。

2、考虑螺旋桨变形的船舶自航

在长时间运行或极端工况下，螺旋桨可能发生变形，进而影响船舶的推进性能和航行稳定性。因此，考虑螺旋桨变形的船舶自航仿真成为研究热点。这类仿真需结合结构力学和流体力学分析，模拟螺旋桨在不同载荷条件下的变形情况，并评估其对船舶性能的影响。

3、船舵偏转仿真

船舵偏转仿真研究对于提高船舶操纵性和安全性至关重要。在仿真中，需模拟舵角变化对船舶尾流场的影响，以及由此引起的水动力及力矩的变化。通过仿真，可以优化舵的设计和布局，提高船舶的回转性能和抗风浪能力。

4、船舶破冰

破冰船作为特殊类型的船舶，其仿真研究具有独特性。破冰仿真需考虑冰层厚度、强度、船舶结构强度及推进系统性能等多个因素。通过仿真，可以评估破冰船的破冰能力、航行效率及安全性，为破冰船的设计和优化提供依据。

5、船舶微气泡减阻

微气泡减阻技术是一种有效的船舶减阻方法。通过向船体周围注入微气泡，可以减小船体与水的接触面积，从而降低阻力。仿真研究需模拟微气泡的生成、分布及其对水流特性的影响，评估减阻效果并优化微气泡注入系统。

6、LNG船浪与液体耦合晃荡

LNG船在航行过程中，货舱内的液化天然气（LNG）会受到波浪作用而发生晃荡，对船舶结构安全构成威胁。仿真研究需综合考虑波浪、液体晃荡及船体结构之间的相互作用，评估晃荡对船体结构的影响，并提出相应的防护措施。

7、船舶大浪变形Abaqus与starccm耦合仿真

在极端海况下，船舶可能遭受巨大的波浪冲击，导致结构变形甚至损坏。Abaqus作为一款强大的结构力学仿真软件，能够精确模拟材料的非线性行为和复杂的结构响应；而starccm则擅长于流体动力学分析，能够准确模拟波浪与船舶的相互作用。通过Abaqus与starccm的耦合仿真，可以综合考虑船舶结构在波浪作用下的应力分布、变形情况以及流体动力学的影响，为船舶的结构设计和安全评估提供科学依据。