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摘要：随着计算机计算能力的迅速提高，以Fluent为代表的各类CFD软件在船舶设计中的应用越来越广泛，计算精度已经能够满足工程设计的需要，采用基于Fluent的船舶阻力预报方法与拖模实验相比，能够节省经费和时间，大幅降低新船型开发的成本，缩短研发周期。通过比较某双体游艇在设计航速下的拖模实验结果与仿真计算结果表明，该计算方法精度较高，收敛速度较快，满足新船型开发过程中的阻力预报需求，能够在实际工程中使用。
关键词：Fluent；CFD；船舶阻力；总阻力；数字船池
1引言
商业计算流体力学软件主要包括CFX、STAR-CD、Fluent等，其中CFX和Fluent已经集成在Ansys Workbench中，具有良好的人机交互界面和广泛的模型格式支持能力。本文以Fluent为基础，提出了一种船舶阻力仿真计算代替拖模实验的方法，以仿真计算得到的摩擦阻力和不同傅汝德数船舶总阻力组成统计为基础，对船舶的总阻力的进行预报。本文着重研究了Fluent软件在计算船舶航行摩擦阻力过程中的理论依据、模型建立、网格划分、边界条件、计算设置及后处理等方面的内容。
2湍流模型
2.1控制模型
本文的计算假定水是粘性不可压缩流体，用于描述其动量守恒的运动方程为Navier-Stokes方程，其矢量形式为：
在直角坐标系中可以写成：
2.2湍流模型
Fluent软件中主要提供以下湍流模型：
（1）Spalart-Allmaras模型；
（2）k-ε模型，包括standard k-ε模型、RNG k-ε模型和realizable k-ε模型；
（3）k-ω模型，包括standard k-ω模型、BSL k-ω模型和SST k-ω模型；
（4）雷诺应力湍流模型（RSM）；
（5）大涡模拟湍流模型（LES）。
以上湍流模型中，以k-ε模型和k-ω模型应用较为广泛，本文选用SST k-ω模型。
3计算模型的建立
Ansys Workbench中的曲面建模功能仍然不够成熟，操作较为繁琐，故本文采用广泛应用于汽车和飞机行业的Catia软件对船体外板进行三维建模。
3.1建立船体模型
为将表示船体外板形状的肋骨型线图导入到Catia中，需先将肋骨型线图的CAD文件转换为DXF格式，随后将导入的图形粘贴到创成式外形设计模块的草图中，以船体外板的肋骨线形图为参考，逐步建立连续的船体外板。
3.2建立水池模型
船体模型完成后，需在新的几何体中建立完整的水池模型，水池模型为一个六面体，水池长度取水线长的10倍，宽度取水线宽的4倍，深度取吃水深度的3倍。其中速度入口距离“0”号肋位的距离为水线长度的4倍。
水池模型完成后，需进一步从水池模型中将船体水线以下部分去除，剩余的实体部分为后续计算所需的模型。
3.3网格划分
网格划分的质量直接关系到计算的收敛速度和计算精度，是模拟仿真计算的关键技术，本文采用Ansys Workbench自带的Mechanical模块进行网格划分，生成非结构性四面体网格，其优点是消除了结构性网格中节点的结构性限制，节点和单元的分布可控性好，能较好地处理边界，适用于模拟真实复杂外形。
网格在船体外板区域自适应加密，以提升计算精度，最终生成单元数量为2162261个。
3.4边界条件
本文所涉及的流场计算区域为六面体，包括入口边界、出口边界、两侧边界、上下边界以及船体外板，各个边界条件设置如下：
（1）入口边界设置为速度入口（velocity inlet），速度值设定为计算双体游艇的设计航速16节，即8.23米/秒；
（2）出口邊界设置为压力出口（pressure outlet），出口处的水压与水深成正比，Fluent中可直接采用默认设置；
（3）两侧边界、底部边界及船体外板为壁面边界条件（wall），为无滑移壁面，Fluent中可直接采用默认设置；
（4）顶部边界为对称边界条件（symmetry），由于本文仅通过计算获得船舶总阻力中的摩擦阻力部分，故顶部边界符合对称边界条件的要求。
4计算设置
求解器选择SIMPLEC，该求解器拥有比SIMPLE算法更快的收敛速度，比PISO及COUPLED算法对计算机的要求更低，已经能够满足本文对阻力计算的精度要求。
梯度插值选择基于单元体的最小二乘法差值（Least Squares Cell Based），适用于多面体网格，与基于节点的格林-高斯格式（Green-gauss Node-based）具有相同的精度。
压力差值采用标准格式（Standard），其他设置全部采用二阶迎风格式（Second Order Upwind）。
5结果分析
5.1 Fluent仿真计算结果
经过1500步的迭代运算，各个参数的残差已经满足收敛条件，耗时约120分钟左右。对计算结果进行后处理可知船体外板的摩擦阻力Rf为：Rf=69642牛
傅汝德数的计算公式为：
其中：Vs=16节（8.23米/秒），L=57.8米
可知本船傅汝德数为0.35，根据图1所示的双体船型的阻力统计资料，本船的摩擦阻力应占总阻力的53%。由此可知本船的总阻力Rt应为：Rt=Rf/53%=131400牛
5.2拖模实验结果
本船通过拖模实验确定的总阻力Rt1为：Rt1=131185牛
5.3结果对比
通过对比Fluent仿真计算和拖模实验结果，可知总阻力的误差为0.16%，精度能够满足工程实际的需求，具备应用于新船型开发的可能性。
结语：
本文通过大型CFD软件Fluent对某双体游艇进行阻力计算，结合公开的船型统计资料，以傅汝德数为参考计算船舶航行的总阻力，得到了与拖模实验较为接近的结果，能够得出以下结论：
（1）基于Fluent计算得到的船体阻力s预报结果与试验数据吻合度较高，说明利用本方法对船舶总阻力进行预报是可行的，能够作为一种辅助手段，为新船型开发过程中的线型设计提供阻力预报参考；
（2）Fluent软件仿真计算船舶航行摩擦阻力时，计算时间较短，对计算机配置要求不高，易于在普通工作电脑上实现，与拖模实验相比，具有更好的经济性；
（3）Fluent模拟仿真计算与拖模实验相比，仍然存在一定的计算误差，在网格划分、边界条件设定等方面有待进一步完善。
参考文献：
[1]邓锐，黄德波，李佳.从几种船型阻力的数值计算探讨FLUENT软件[J].船舶工程，2010，32（2）：55-59.
[2]倪崇本.基于CFD的船舶阻力性能综合研究[D].上海：上海交通大学，2011.
关键词：Fluent；CFD；船舶阻力；总阻力；数字船池
1引言
商业计算流体力学软件主要包括CFX、STAR-CD、Fluent等，其中CFX和Fluent已经集成在Ansys Workbench中，具有良好的人机交互界面和广泛的模型格式支持能力。本文以Fluent为基础，提出了一种船舶阻力仿真计算代替拖模实验的方法，以仿真计算得到的摩擦阻力和不同傅汝德数船舶总阻力组成统计为基础，对船舶的总阻力的进行预报。本文着重研究了Fluent软件在计算船舶航行摩擦阻力过程中的理论依据、模型建立、网格划分、边界条件、计算设置及后处理等方面的内容。
2湍流模型
2.1控制模型
本文的计算假定水是粘性不可压缩流体，用于描述其动量守恒的运动方程为Navier-Stokes方程，其矢量形式为：
在直角坐标系中可以写成：
2.2湍流模型
Fluent软件中主要提供以下湍流模型：
（1）Spalart-Allmaras模型；
（2）k-ε模型，包括standard k-ε模型、RNG k-ε模型和realizable k-ε模型；
（3）k-ω模型，包括standard k-ω模型、BSL k-ω模型和SST k-ω模型；
（4）雷诺应力湍流模型（RSM）；
（5）大涡模拟湍流模型（LES）。
以上湍流模型中，以k-ε模型和k-ω模型应用较为广泛，本文选用SST k-ω模型。
3计算模型的建立
Ansys Workbench中的曲面建模功能仍然不够成熟，操作较为繁琐，故本文采用广泛应用于汽车和飞机行业的Catia软件对船体外板进行三维建模。
3.1建立船体模型
为将表示船体外板形状的肋骨型线图导入到Catia中，需先将肋骨型线图的CAD文件转换为DXF格式，随后将导入的图形粘贴到创成式外形设计模块的草图中，以船体外板的肋骨线形图为参考，逐步建立连续的船体外板。
3.2建立水池模型
船体模型完成后，需在新的几何体中建立完整的水池模型，水池模型为一个六面体，水池长度取水线长的10倍，宽度取水线宽的4倍，深度取吃水深度的3倍。其中速度入口距离“0”号肋位的距离为水线长度的4倍。
水池模型完成后，需进一步从水池模型中将船体水线以下部分去除，剩余的实体部分为后续计算所需的模型。
3.3网格划分
网格划分的质量直接关系到计算的收敛速度和计算精度，是模拟仿真计算的关键技术，本文采用Ansys Workbench自带的Mechanical模块进行网格划分，生成非结构性四面体网格，其优点是消除了结构性网格中节点的结构性限制，节点和单元的分布可控性好，能较好地处理边界，适用于模拟真实复杂外形。
网格在船体外板区域自适应加密，以提升计算精度，最终生成单元数量为2162261个。
3.4边界条件
本文所涉及的流场计算区域为六面体，包括入口边界、出口边界、两侧边界、上下边界以及船体外板，各个边界条件设置如下：
（1）入口边界设置为速度入口（velocity inlet），速度值设定为计算双体游艇的设计航速16节，即8.23米/秒；
（2）出口邊界设置为压力出口（pressure outlet），出口处的水压与水深成正比，Fluent中可直接采用默认设置；
（3）两侧边界、底部边界及船体外板为壁面边界条件（wall），为无滑移壁面，Fluent中可直接采用默认设置；
（4）顶部边界为对称边界条件（symmetry），由于本文仅通过计算获得船舶总阻力中的摩擦阻力部分，故顶部边界符合对称边界条件的要求。
4计算设置
求解器选择SIMPLEC，该求解器拥有比SIMPLE算法更快的收敛速度，比PISO及COUPLED算法对计算机的要求更低，已经能够满足本文对阻力计算的精度要求。
梯度插值选择基于单元体的最小二乘法差值（Least Squares Cell Based），适用于多面体网格，与基于节点的格林-高斯格式（Green-gauss Node-based）具有相同的精度。
压力差值采用标准格式（Standard），其他设置全部采用二阶迎风格式（Second Order Upwind）。
5结果分析
5.1 Fluent仿真计算结果
经过1500步的迭代运算，各个参数的残差已经满足收敛条件，耗时约120分钟左右。对计算结果进行后处理可知船体外板的摩擦阻力Rf为：Rf=69642牛
傅汝德数的计算公式为：
其中：Vs=16节（8.23米/秒），L=57.8米
可知本船傅汝德数为0.35，根据图1所示的双体船型的阻力统计资料，本船的摩擦阻力应占总阻力的53%。由此可知本船的总阻力Rt应为：Rt=Rf/53%=131400牛
5.2拖模实验结果
本船通过拖模实验确定的总阻力Rt1为：Rt1=131185牛
5.3结果对比
通过对比Fluent仿真计算和拖模实验结果，可知总阻力的误差为0.16%，精度能够满足工程实际的需求，具备应用于新船型开发的可能性。
结语：
本文通过大型CFD软件Fluent对某双体游艇进行阻力计算，结合公开的船型统计资料，以傅汝德数为参考计算船舶航行的总阻力，得到了与拖模实验较为接近的结果，能够得出以下结论：
（1）基于Fluent计算得到的船体阻力s预报结果与试验数据吻合度较高，说明利用本方法对船舶总阻力进行预报是可行的，能够作为一种辅助手段，为新船型开发过程中的线型设计提供阻力预报参考；
（2）Fluent软件仿真计算船舶航行摩擦阻力时，计算时间较短，对计算机配置要求不高，易于在普通工作电脑上实现，与拖模实验相比，具有更好的经济性；
（3）Fluent模拟仿真计算与拖模实验相比，仍然存在一定的计算误差，在网格划分、边界条件设定等方面有待进一步完善。
参考文献：
[1]邓锐，黄德波，李佳.从几种船型阻力的数值计算探讨FLUENT软件[J].船舶工程，2010，32（2）：55-59.
[2]倪崇本.基于CFD的船舶阻力性能综合研究[D].上海：上海交通大学，2011.