船舶阻力預測
關注創建者：Oler 創建時間：2019-06-20
船舶阻力預測的視頻教程
Fine Marine之船舶阻力自動化仿真方案 ——更專業的船舶CFD工具
Fine Marine之船舶阻力自動化仿真方案 ——更專業的船舶CFD工具 適用人群：船舶行業/跨介質航行器/海上風電/海洋平臺等海洋工程仿真從業者，高校教師及學生 Fine Marine之船舶阻力自動化仿真方案 ——更專業的船舶CFD工具（免費）【已結束】 直播時間：2023-08-01 19:30 直播內容： 船舶阻力預報是船舶設計中的重要環節。
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STAR-CCM+船舶阻力計算標準流程及參數設置經驗
學到什么： 一整套完整的STAR-CCM+船舶阻力計算標準流程，算例各參數設置的經驗等。 直播內容： 1.計算流程 ? 導入幾何（有的要進行幾何處理） ? 分配區域 ? 設置邊界條件 ? 劃分網格 ? 設置物理模型 ? 設置初始條件 ? 創建報告繪圖和求解視圖 ? 設置求解器和停止（收斂）準則 ? 計算 ? 后處理 2.經驗分享
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船舶阻力預測的實例教程
主要包括：可視化自由水面的傳播、可視化波型、阻力數據監視和繪圖以及縱傾和升沉數據監視和繪圖。
三、結果分析
在模擬運行之前，創建每個場景來關注求解的進展。如圖所示，在對稱平面上顯示了模擬結束時圍繞船體的自由水面細節圖：
如圖所示，顯示了模擬結束時圍繞船體的波型：
如圖所示是隨時間變化的剪切和壓差阻力繪圖：
如圖所示是隨時間變化的總阻力繪圖：
如圖所示是作用在船身上Z方向的力：
如圖所示是作用在船身上圍繞Y軸的力矩：
總結
通過數值模擬計算，我們得到了在某一特定的航速下改船型的船舶阻力情況，仿真模擬結果與船舶試驗結果表現出相同的趨勢，且誤差在可接受的范圍內。該試驗結果表明，基于Star-CCM+的船舶阻力預測比較可靠，能夠為船舶設計與改型提供高效有力的參考。除此之外，將仿真結果以cgns的文件形式導入FastCAE VR后處理模塊，可進行VR沉浸式漫游體驗。
展開 1、問題描述本案例演示船舶阻力預測模擬的工作流程。船體置于虛擬拖曳試驗池中，模型如下：
2、軟件設置
（1）選擇物理模型；使用 K-Epsilon 湍流模型和分離流求解器來求解瞬態雷諾平均納維－斯托克斯方程。在激活流體域體積(VOF) 模型后，選擇VOF波，來設置水面初始波的數據。物理模型的選擇如下：
（2）定義歐拉相；在連續體continuum中，右鍵單擊Models > EulerianMultiphase > Eulerian Phases 節點，創建新相，把新相命名為H2O，在H2O節點選擇液體和恒密度模型。同樣的方式設置空氣相，選擇氣體和恒密度模型，定義完的歐拉相如下：
（3）設置VOF波；在模擬期間，自由表面水位隨時間的變化而變化。 STAR-CCM+ 提供可讓您指定波初始條件和邊界條件的 VOF波模型。此處，在靜水中拖曳船。右鍵單擊Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves> Waves，選擇New > Flat，在出現的Flat Vof Wave 1節點設置流和風的速度；設置完Flat Vof Wave 1的屬性如下：
（4）設置初始條件；設置壓力、速度和體積分數的初始條件。
（5）阻尼波反射；在流動阻力模擬時發生波反射。波反射有兩個來源：一是來自邊界的波反射，二是由于突兀的網格過渡造成的波反射，為了避免這些波反射與真正的波場相互作用，從而導致結果無效。STAR-CCM+提供了 VOF 波阻尼功能。
展開 船舶阻力預報CFD研究現狀
在船舶行業，CFD能準確捕捉復雜流動形態及結構；流動區域平均物理量（速度及壓力）的預報已達到較高精度；固壁邊界的水動力系數（摩擦阻力和粘壓阻力系數）的預報已達到一定精度，可用于初步設計、優化設計等工程應用問題；自由表面流動的計算進步較快，波形的預報已經達到相當的精度。
通過CFD計算分析，可以對多個不同的設計方案給出正確的排序。比之單由水池試驗，CFD分析的長處是它允許對更寬范圍的備選船型方案進行測試。比較理想的做法是，它適合用來選擇有希望的備選設計方案作進一步的水池試驗。CFD也指明對設計方案進行改進的部位和方法，比如，顯示出船身上的壓力分布的細節。
船舶阻力計算CFD的解決方案
船舶阻力計算CFD應用需求
船舶的水動力性能（快速性、適航性、操縱性）是由繞船的流場特性而決定，從理論上講通過求解描述流場特性的流體動力學方程就能對相應的水動力性能做出預報。然而，由于自由面的存在、船體幾何形狀復雜（特別是船尾）、附體較多，導致自由面水波、流體分離、旋渦等現象的出現，使得流場中的流動結構很復雜，即使有了描述流動過程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，長期以來船模試驗便成了研究船舶周圍流場特性的一個必不可少的手段。然而，船模試驗不僅周期長、費用高、很難得到詳細的局部流場信息，同時因為尺度效應，船模實際上并不能真實地再現實船的流動情況，存在很大的局限性。新的水動力性能預報手段的引入已十分必要。
船舶阻力的CFD計算盡管存在自由表面、高雷諾數等多種難題，但近30年來通過人們不懈的努力，從勢流理論線性計算到非線性計算，從理想流體到粘性流體，從薄邊界層到全NS方程的求解，直至考慮自由面的NS方程的求解，CFD方法在計算能力和實用方面都發生了深刻的變化。過去只是在大學和研究機構才有的計算方法，如今已有很多商業化的CFD軟件可以應用。
展開 圖4-3 運行求解器
圖4-4 設置預測變量
① 在彈出的AI樣本設置界面，設置預測范圍為（1-5）。單擊樣本處理，生成樣本數，在彈出的AI樣本生成界面中，修改其中一個樣本數3為2.8，避免和原始工況趨近，如圖所示；
② 點擊開始，開始計算。
圖4-5 設置預測范圍
圖4-6 生成樣本數
五、后處理
1）模型訓練
① 計算完成后，單擊“是”開始訓練；
② 訓練完成后，單擊“確定”，確認訓練完成，單擊“關閉”按鈕退出當前對話框，如圖所示。
圖5-1 模型訓練
① 雙擊 求解> 求解模型，打開AI預測開關，輸入值：3.043；
② 單擊應用按鈕，程序自動加載預測結果，如圖所示。
圖5-2 結果預測
2）求解結果更新及導入
雙擊樹節點 報告> 力，設置方向參數，選取區域面列表中hull，單擊應用，讀取升阻力數據。
圖5-3 數據讀取
圖5-4 數據查看
3）結果對比
① 在進行預測計算之前， 可以先進行原始工況的計算，然后和預測后的結果進行比對；
② 升阻力，壁面壓力和中心截面速度對比。
展開 空氣阻力被建模為施加在正面投影區域中心的力。
55 節時的波型（左）、不同船體站的船首波浪剖面以及 55 節時船體上的流體動力壓力（右）。
模型測試
船體模型由涂有油漆的泡沫和木材制成。它具有符合 1:16 線性比例的流體動力學光滑表面光潔度。在湍流刺激下，從船首到第 17 站，細沙粒沿著龍骨粘在船體上。
阻力測試是使用 MARINTEK 的高速鉆機拖曳的模型進行的，包括阻力、縱傾和下沉測量。在測試設置中，模型可以自由起伏、橫搖和縱傾，但在所有其他自由度上都是固定的。
空氣阻力對吃水線以上投影面積的影響包含在基于船舶投影面積的預測中。
船體和波型的底部和透視圖。
轉換為總船舶阻力
使用形狀因子方法將船體模型（數字或實驗）轉換為全尺寸船舶。該方法假設總阻力可分為粘性阻力和剩余（由于渦度、興波和破波）阻力 CR。粘性阻力是通過將摩擦阻力 CF 乘以恒定形狀系數 k0 來確定的，這對于模型和船舶是相同的。此外，假定模型和船舶的剩余電阻 CR 相同。
將數值或實驗結果換算成船舶總阻力RTs時，通過經驗公式考慮船體表面粗糙度的影響。結果以無量綱總船舶阻力 CT 的形式表示。
結果
下表比較了從模型試驗方法和 CFD 方法獲得的預測總船舶阻力。對于所有速度，結果一致在 0.7% 以內。水動力縱傾角在 0.5 度以內一致。這是一個令人滿意的結果，因為縱傾測量沒有針對比例效應進行校正，并且 CFD 網格可以圍繞船體進一步細化，盡管本研究不需要這樣做。
模型試驗結果和 CFD 結果的無量綱總船舶阻力 CT 和水動力縱傾角的比較
結論
CFD 預測與平靜水面條件下船舶總阻力模型測試結果的一致性增強了 Marintek 對其海洋應用的 Fidelity CFD 解決方案的信心。
文章來源：cadence博客
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航運作為一種運量大、成本低的運輸方式，在全球貿易貨物運輸中發揮著十分重要的作用。隨著船舶數量的增加和船舶大型化發展，航運業面臨著溫室氣體排放、人力成本增加、航行安全不足等諸多挑戰。近年來，為應對上述挑戰，目前航運業正逐步向低碳化、智能化方向發展。
自主航行是船舶按照預定目標，自主規劃航速航線，自動航行至終點并完成作業的過程。目前，船舶自動化可分為四個等級，分別是有自動化過程和決策支持的船舶
AICFD是由天洑軟件自主研發的通用智能熱流體仿真軟件，用于高效解決能源動力、船舶海洋、電子設備和車輛運載等領域復雜的流動和傳熱問題。軟件涵蓋了從建模、仿真到結果處理完整仿真分析流程，幫助工業企業建立設計、仿真和優化相結合的一體化流程，提高企業研發效率。
一、概 要
1）案例描述
AI預測是軟件的特色模塊之一
早在 1870 年，威廉·弗勞德 (William Froude) 就感到需要拖曳水箱來研究和預測船舶阻力；這為先進的拖曳水箱打開了大門，目前船舶工業中的造船工程師廣泛使用這種拖曳水箱。
為了獲得準確的測量結果，牽引水箱必須建在氣候控制的建筑物內，因為輕微的溫度變化可能會影響結果。用于拖曳船舶的拖車是一個大型可移動平臺，橫跨坦克，上面裝有傳感器，可以容納一些密切研究船舶設計結果的科學家。
安世亞太結構工程師
黃錦耀
摘要： 能量有限元方法是一種以能量密度為基本變量的數值計算方法，既能克服有限元（FEA）方法在中、高頻分析時彎曲波在結構中傳播，要求小尺寸網格引起計算效率低以及結構模態密集導致的頻率上限的問題；又能改善統計能量法（SEA）丟失子系統空間特征信息的問題。本文以能量有限元理論為基礎，
海運是國際貿易和全球經濟的支柱。根據 2022 年聯合國貿易和發展會議（UNCTAD）的數據，超過 80% 的國際貨物貿易量是通過海運進行的，大多數發展中國家的這一比例更高。
擁有如此龐大的整體船隊，這些船只對海洋和大氣的環境影響是巨大的。根據國際海事組織 (IMO) 的數據，航運占當今全球二氧化碳 (CO2) 排放量的 3% 左右。隨著世界人口的增長以及隨之而來的對供應品需求的增加，我們需要找到使航運業更加環保的解決方案
結果
下表比較了從模型試驗方法和 CFD 方法獲得的預測總船舶阻力。對于所有速度，結果一致在 0.7% 以內。水動力縱傾角在 0.5 度以內一致。這是一個令人滿意的結果，因為縱傾測量沒有針對比例效應進行校正，并且 CFD 網格可以圍繞船體進一步細化，盡管本研究不需要這樣做。
2023 年 3 月 10 日? 3 分鐘閱讀
在這項研究中，Glosten 團隊 使用 UberCloud 容器運行 Fidelity Fine Marine模擬，評估可用硬件的性能，并將其與最終用戶當前使用的資源進行比較。基準案例在本地硬件、Amazon Web Services (AWS)的虛擬實例以及CPU 24/7 和UberCloud提供的裸機云解決方案上進行了分析
作者：Cadence CFD 解決方案
摘要： 網格自適應，也稱為自適應網格細化 (AGR)，長期以來一直用于修改現有網格以準確捕獲流動物理。這種方法有幾個缺點，例如無法解析底層幾何體、由于細化導致的運行時間過長以及網格質量下降。然而，Fidelity Pointwise 和 ISimQ 開發了一種新的網格自適應程序，有望解決這些挑戰并使整個自適應過程自動化。
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摘要： 能量有限元方法是一種以能量密度為基本變量的數值計算方法，既能克服有限元（FEA）方法在中、高頻分析時彎曲波在結構中傳播，要求小尺寸網格引起計算效率低以及結構模態密集導致的頻率上限的問題；又能改善統計能量法（SEA）丟失子系統空間特征信息的問題。本文以能量有限元理論為基礎，建立船舶能量有限元計算模型，采用國產自主商用軟件ProNas，對復雜激勵下船舶各艙室產生的中高頻結構噪聲及空氣噪聲進行仿真計算
