船舶设计新利器：PERA SIM Fluid带你探索流体仿真奥秘
1.摘要
本文基于安世亚太自主研发的PERA SIM Fluid流体仿真软件，以船体为研究对象，采用VOF多相流模型，计算了其在静水中的行驶阻力，获得了船行波的变化特性以及阻力数值，并与成熟的CFD软件对比，验证了国产仿真软件PERA SIM Fluid的精确性和可靠性。
关键词：船舶，VOF，CFD，PERA SIM Fluid
2.引言
2.引言
船舶在航行过程中会受到流体（水和空气）阻止它前进的力，这种与船体运动相反的作用力称为船的阻力，为了使船舶保持一定的航速，必须对船舶提供推力以克服所受的阻力。
船体周围的流动情况是相当复杂的，但主要有以下三种现象：
首先，船体在运动过程中兴起波浪，由于波浪的产生，改变了船体表面的压力分布情况。船首的波峰使首部压力增加，而船尾的波谷使尾部压力降低，于是产生首尾流动压力差。这种由兴波引起的压力分布的改变所产生的阻力称为兴波阻力。
其次，当船体运动时，由于水的粘性，在船体周围形成边界层，从而使船体运动过程中受到粘性切应力作用，亦即船体表面产生了摩擦力，它在运动方向的合力便是船体摩擦阻力。
另外，在船体曲度骤变处，特别是较丰满船的尾部，常会产生漩涡。产生漩涡的根本原因也是水具有粘性，漩涡处的水压力下降，从而改变了沿船体表面的压力分布情况。这种由粘性引起船体前后压力不平衡而产生的阻力称为粘压阻力。
因此按产生阻力的物理现象分类，船体总阻力由兴波阻力、摩擦阻力和粘压阻力三者组成。
图1 船体阻力
船舶阻力与造船工程实际密切联系，对设计性能良好的船舶具有重要意义，采用CFD方法模拟船体周围的流场，得出阻力数值和流场的流动细节，能够进行实尺度模拟，省时省力。其研究的主要问题包括：
船舶以一定速度在水中直线航行时所遭受的各种阻力的成因及其性质；
阻力随航速、船型和外界条件的变化规律；
研究减小阻力的方法，寻求设计低阻力的优良船型；
为设计推进器（螺旋桨）和决定主机功率提供依据。
采用PERA SIM Fluid软件，利用VOF多相流模型，建立了船体阻力仿真模型，获得了船体周围详细的流场细节和阻力数值。
3.仿真模型的建立
3.仿真模型的建立
3.1 几何模型处理
本次研究的船体外形如图2所示，使用PERA SIM Fluid前处理自动几何修复功能，形成封闭和几何实体，并建立外流体域。船体方向向前延伸1倍船长，船尾延伸3倍船长，宽度方向延伸两倍船长，利用分组功能定义计算边界，处理好的计算域如图3所示。
图2船体外形
图3 计算域
3.2 网格划分
PERA SIM Fluid提供了两种网格划分方法：基于拓扑的网格划分和基于包面的网格划分。考虑当前几何模型已处理密闭且清理得较为干净，选择拓扑网格划分方法，直接生成体网格。
船体需要捕捉的最小几何特征为0.4mm，但不是特别关键位置，因此设置最小尺寸为0.2mm即可；对船体表面添加局部尺寸，控制最大尺寸为32mm；对船体近场流场网格和自由液面处网格进行加密，以捕捉船兴波的变化，为避免网格量过大，从近到远分为3个加密等级；船体表面添加5层边界层。
图4 局部密度盒控制
图5 整体网格
图6 局部网格
3.3 模型、边界设置及求解
采用瞬态计算，不可压缩流体，勾选浮力项，设置Z方向重力-9.81m/s2，参考密度1.225kg/m3，参考压力101325Pa，参考压力位置（0,0,7200mm）。
图7 通用设置
湍流模型使用SST k-ω湍流模型。在材料库中选择water-liquid复制，添加到可用材料中。选择VOF多相流模型，设置主相为空气，分相为液体水，相间作用力设置表面张力系数为0.072N/m。
图8 湍流模型设置
图9 VOF模型设置
空气和水入口均改为速度入口，在混合相中设置空气和水的速度都是2m/s，切换为水相，设置空气和水入口水的体积分数分别为0和1。
图10 入口边界条件设置
两个出口类型设置为出流边界，出流权重默认1。
图11 出口边界条件设置
船体表面设置为壁面，其余面均设置为对称边界。
求解方法选择PISO算法，压力离散格式为体积力加权，动量和湍流为二阶迎风格式，体积分数默认HRIC格式，时间离散为一阶格式。
创建阻力监测，计算过程中输出阻力的变化曲线和文件。
图12 求解算法设置
图13 创建阻力监测
初始化设置X方向速度为-2m/s，使用局部初始化，设置初始水位以下区域水的体积分数为1。
瞬态计算的时间步长为0.002s，根据物理时长设置时间步数。PERA SIM Fluid支持本地并行计算，可大幅提升计算效率。
图14 局部初始化
图15 计算设置
4.计算结果分析
4.计算结果分析
PERA SIM Fluid提供了全面的后处理功能，可以提取点、线、切割面、切割体、流线、等值面、动画等结果，也具有创建图表、自定义函数等功能创建针对特定问题的物理量。
图16 船体近场流线
为了验证PERA SIM Fluid计算结果的准确性，使用成熟商用CFD软件、相同的工况条件进行了对比计算。
1）开始阶段
图17 船首和船尾自由液面分布
对比船首和船尾水相体积分数分布，可以看到PERA SIM Fluid对液面的捕捉具有较高的精度。
图18 自由液面高度和液面速度分布
选取VOF=0.5的等值面，与国外软件相比，液面高度和速度分布也一致，随着船的航行，船行波开始形成。
2）稳定阶段
达到稳定阶段后，波形趋于稳定，船首和船尾的兴波作用最强，并且兴波不断扩散形成近扇形区域。
图19 自由液面分布
图20 自由液面高度
图21 自由液面速度
对稳定阶段的阻力值进行平均，获得船体的总阻力并与国外软件进行了对比，偏差为5.72%。
表1 阻力值对比
5.结论
5.结论
利用PERA SIM Fluid软件的VOF模型，对船体的兴波特性和行驶阻力进行了仿真，实现了从几何模型处理、网格划分、物理模型和边界条件设定、求解及计算结果处理的完整分析流程，验证了软件对多相流问题的解算能力；与成熟CFD软件进行了结果对比，流场分布趋势保持一致，总阻力偏差为5.72%，对于复杂模型的复杂物理场，具有较高的计算准确性。
