船舶阻力特性模拟

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1 前言

    减小航行阻力是船舶设计的一个重要方面，数值模拟方法是船舶阻力性能分析的高效手段。船舶在运动过程中，吃水线以下的船体表面会受到一个切向力的作用，在船体运动方向的分力就是摩擦阻力Rf；同时船体表面尤其是首尾两端曲率变化较大的地方由于流体粘性会产生漩涡，造成船体表面压力重新分布，产生粘压阻力Rpv；另外，船体在航行过程中，产生的波浪作用在船体上，即船舶兴波，它会造成船体表面压力重新分布，由于首位压差形成的阻力为兴波阻力Rw[1]。今天我们做一个简单的案例，计算上述船舶阻力。

2 建模与网格

    创建如下的小船模型。

    对于摩擦阻力和粘压阻力的计算，可以采用单相流，此时外流体域可以仅仅创建在吃水线及以下部分，如下图。注意外流体域边界距离船舶边界要足够远，特别是下游。通过fluent meshing划分多面体和六面体混合网格，采用BOI方法对船舶附近的网格进行了细化。

    而在考虑兴波阻力时，则需要采用两相流来模拟波浪的形成，采用VOF是最合适的。此时外流体域就要包括整个船舶以及船舶上方的空气，自由页面为船舶的吃水线（图中基准面）。

3 边界条件与求解设置

    采用单相流计算摩擦阻力和粘压阻力时，求解设置为最普通的设置，我们不做详细描述。按下图设置边界条件，流体介质采用fluent默认的水。

    单独计算兴波阻力时，我们忽略流体的粘性。

    采用VOF模型，并开启明渠流动选项。主相设置为空气，次相设置为水。

    启动重力选项。

    按下图设置边界条件，注意的是，要启用明渠边界，速度入口要改成压力入口。和单相流不同，我们将顶部设置为压力出口，表示外界大气环境，但是该压力边界不启动明渠边界。

    压力入口设置如下，自由液面标高-0.02m，也就是吃水线，河床底部标高-0.12m，水流速度0.4m/s。

    压力出口（非顶部大气）设置如下，相比压力入口，不需要设置速度。

    采用如下值进行瞬态初始化，另外通过patch工具设置初始液位，region_0为手动创建包含整个水流的方形。

4 计算结果

    单相流计算的摩擦阻力系数和粘压阻力系数如下，形状因子(Cv/Cf)约为2.6。

    两相流计算兴波阻力系数时，通过创建阻力系数监视器来判断收敛性，典型的瞬态曲线如下图。

    我们看一下航速0.4m/s时，船舶吃水线附近的液面动画，注意图中有进行对称显示。

    需要指出的是，上述的液面是不真实的，因为没有考虑流体粘性。船舶的总阻力应该等于摩擦阻力、粘压阻力（两者之和为粘性阻力）和兴波阻力之和，上述采用单相流和两相流分开计算粘性阻力和兴波阻力实际上是一种解耦处理，这种方式会有一定误差，采用单相流计算时认为吃水线处在理想的水面，实际上是不可能的。其实，只要在两相流模拟中考虑流体粘性就可直接模拟船舶流动阻力（非解耦）。理想的情况是解耦的阻力结果之和（三个阻力）应该等于非解耦的阻力结果。以航速0.4m/s为例，解耦的粘性阻力系数0.0247，兴波阻力系数0.0211，总阻力系数0.0458，而两相流模拟的总阻力系数为0.0417，两者约相差9%。

参考文献

[1]基于CFD的船舶阻力性能研究