摘要：本文基于安世亞太自主研發的PERA SIM Fluid流體仿真軟件，以船體為研究對象，采用VOF多相流模型，計算了其在靜水中的行駛阻力，獲得了船行波的變化特性以及阻力數值，并與成熟的CFD軟件對比，驗證了國產仿真軟件PERA SIM Fluid的精確性和可靠性。

關鍵詞：船舶，VOF，CFD，PERA SIM Fluid

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引言：船舶在航行過程中會受到流體（水和空氣）阻止它前進的力，這種與船體運動相反的作用力稱為船的阻力，為了使船舶保持一定的航速，必須對船舶提供推力以克服所受的阻力。

船體周圍的流動情況是相當復雜的，但主要有以下三種現象：

首先，船體在運動過程中興起波浪，由于波浪的產生，改變了船體表面的壓力分布情況。船首的波峰使首部壓力增加，而船尾的波谷使尾部壓力降低，于是產生首尾流動壓力差。這種由興波引起的壓力分布的改變所產生的阻力稱為興波阻力。

其次，當船體運動時，由于水的粘性，在船體周圍形成邊界層，從而使船體運動過程中受到粘性切應力作用，亦即船體表面產生了摩擦力，它在運動方向的合力便是船體摩擦阻力。

另外，在船體曲度驟變處，特別是較豐滿船的尾部，常會產生漩渦。產生漩渦的根本原因也是水具有粘性，漩渦處的水壓力下降，從而改變了沿船體表面的壓力分布情況。這種由粘性引起船體前后壓力不平衡而產生的阻力稱為粘壓阻力。

因此按產生阻力的物理現象分類，船體總阻力由興波阻力、摩擦阻力和粘壓阻力三者組成。

圖1 船體阻力

船舶阻力與造船工程實際密切聯系，對設計性能良好的船舶具有重要意義，采用CFD方法模擬船體周圍的流場，得出阻力數值和流場的流動細節，能夠進行實尺度模擬，省時省力。其研究的主要問題包括：

? 船舶以一定速度在水中直線航行時所遭受的各種阻力的成因及其性質；

? 阻力隨航速、船型和外界條件的變化規律；

? 研究減小阻力的方法，尋求設計低阻力的優良船型；

? 為設計推進器（螺旋槳）和決定主機功率提供依據。

采用PERA SIM Fluid軟件，利用VOF多相流模型，建立了船體阻力仿真模型，獲得了船體周圍詳細的流場細節和阻力數值。

仿真模型的建立

幾何模型處理

本次研究的船體外形如圖2所示，使用PERA SIM Fluid前處理自動幾何修復功能，形成封閉和幾何實體，并建立外流體域。船體方向向前延伸1倍船長，船尾延伸3倍船長，寬度方向延伸兩倍船長，利用分組功能定義計算邊界，處理好的計算域如圖3所示。

圖2船體外形

圖3 計算域

網格劃分

PERA SIM Fluid提供了兩種網格劃分方法：基于拓撲的網格劃分和基于包面的網格劃分。考慮當前幾何模型已處理密閉且清理得較為干凈，選擇拓撲網格劃分方法，直接生成體網格。

船體需要捕捉的最小幾何特征為0.4mm，但不是特別關鍵位置，因此設置最小尺寸為0.2mm即可；對船體表面添加局部尺寸，控制最大尺寸為32mm；對船體近場流場網格和自由液面處網格進行加密，以捕捉船興波的變化，為避免網格量過大，從近到遠分為3個加密等級；船體表面添加5層邊界層。

圖4 局部密度盒控制

圖5 整體網格

圖6 局部網格

模型、邊界設置及求解

采用瞬態計算，不可壓縮流體，勾選浮力項，設置Z方向重力-9.81m/s2，參考密度1.225kg/m3，參考壓力101325Pa，參考壓力位置（0,0,7200mm）。

圖7 通用設置

湍流模型使用SST k-ω湍流模型。在材料庫中選擇water-liquid復制，添加到可用材料中。選擇VOF多相流模型，設置主相為空氣，分相為液體水，相間作用力設置表面張力系數為0.072N/m。

圖8 湍流模型設置

圖9 VOF模型設置

空氣和水入口均改為速度入口，在混合相中設置空氣和水的速度都是2m/s，切換為水相，設置空氣和水入口水的體積分數分別為0和1。

圖10 入口邊界條件設置

兩個出口類型設置為出流邊界，出流權重默認1。

圖11 出口邊界條件設置

船體表面設置為壁面，其余面均設置為對稱邊界。

求解方法選擇PISO算法，壓力離散格式為體積力加權，動量和湍流為二階迎風格式，體積分數默認HRIC格式，時間離散為一階格式。

創建阻力監測，計算過程中輸出阻力的變化曲線和文件。

圖12 求解算法設置

圖13 創建阻力監測

初始化設置X方向速度為-2m/s，使用局部初始化，設置初始水位以下區域水的體積分數為1。

瞬態計算的時間步長為0.002s，根據物理時長設置時間步數。PERA SIM Fluid支持本地并行計算，可大幅提升計算效率。

圖14 局部初始化

圖15 計算設置

計算結果分析

PERA SIM Fluid提供了全面的后處理功能，可以提取點、線、切割面、切割體、流線、等值面、動畫等結果，也具有創建圖表、自定義函數等功能創建針對特定問題的物理量。

圖16 船體近場流線

為了驗證PERA SIM Fluid計算結果的準確性，使用成熟商用CFD軟件、相同的工況條件進行了對比計算。

1）開始階段

圖17 船首和船尾自由液面分布

對比船首和船尾水相體積分數分布，可以看到PERA SIM Fluid對液面的捕捉具有較高的精度。

圖18 自由液面高度和液面速度分布

選取VOF=0.5的等值面，與國外軟件相比，液面高度和速度分布也一致，隨著船的航行，船行波開始形成。

2）穩定階段

達到穩定階段后，波形趨于穩定，船首和船尾的興波作用最強，并且興波不斷擴散形成近扇形區域。

圖19 自由液面分布

圖20 自由液面高度

圖21 自由液面速度

對穩定階段的阻力值進行平均，獲得船體的總阻力并與國外軟件進行了對比，偏差為5.72%。

表1 阻力值對比

結論

利用PERA SIM Fluid軟件的VOF模型，對船體的興波特性和行駛阻力進行了仿真，實現了從幾何模型處理、網格劃分、物理模型和邊界條件設定、求解及計算結果處理的完整分析流程，驗證了軟件對多相流問題的解算能力；與成熟CFD軟件進行了結果對比，流場分布趨勢保持一致，總阻力偏差為5.72%，對于復雜模型的復雜物理場，具有較高的計算準確性。

作者：安世亞太工程師 王鑫鑫