船舶阻力
關(guān)注創(chuàng)建者：梵汀丿 創(chuàng)建時(shí)間：2020-01-08
船舶阻力的視頻教程
Fine Marine之船舶阻力自動(dòng)化仿真方案 ——更專業(yè)的船舶CFD工具
Fine Marine之船舶阻力自動(dòng)化仿真方案 ——更專業(yè)的船舶CFD工具 適用人群：船舶行業(yè)/跨介質(zhì)航行器/海上風(fēng)電/海洋平臺(tái)等海洋工程仿真從業(yè)者，高校教師及學(xué)生 Fine Marine之船舶阻力自動(dòng)化仿真方案 ——更專業(yè)的船舶CFD工具（免費(fèi)）【已結(jié)束】 直播時(shí)間：2023-08-01 19:30 直播內(nèi)容： 船舶阻力預(yù)報(bào)是船舶設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。
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STAR-CCM+船舶阻力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)流程及參數(shù)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)
學(xué)到什么： 一整套完整的STAR-CCM+船舶阻力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)流程，算例各參數(shù)設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)等。 直播內(nèi)容： 1.計(jì)算流程 ? 導(dǎo)入幾何（有的要進(jìn)行幾何處理） ? 分配區(qū)域 ? 設(shè)置邊界條件 ? 劃分網(wǎng)格 ? 設(shè)置物理模型 ? 設(shè)置初始條件 ? 創(chuàng)建報(bào)告繪圖和求解視圖 ? 設(shè)置求解器和停止（收斂）準(zhǔn)則 ? 計(jì)算 ? 后處理 2.經(jīng)驗(yàn)分享
￥19.9 1小時(shí)11分鐘 549播放
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船舶阻力的實(shí)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(shù)據(jù)監(jiān)視和繪圖以及縱傾和升沉數(shù)據(jù)監(jiān)視和繪圖。
三、結(jié)果分析
在模擬運(yùn)行之前，創(chuàng)建每個(gè)場(chǎng)景來關(guān)注求解的進(jìn)展。如圖所示，在對(duì)稱平面上顯示了模擬結(jié)束時(shí)圍繞船體的自由水面細(xì)節(jié)圖：
如圖所示，顯示了模擬結(jié)束時(shí)圍繞船體的波型：
如圖所示是隨時(shí)間變化的剪切和壓差阻力繪圖：
如圖所示是隨時(shí)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(jié)
通過數(shù)值模擬計(jì)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(jié)果與船舶試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，且誤差在可接受的范圍內(nèi)。該試驗(yàn)結(jié)果表明，基于Star-CCM+的船舶阻力預(yù)測(cè)比較可靠，能夠?yàn)?em>船舶設(shè)計(jì)與改型提供高效有力的參考。除此之外，將仿真結(jié)果以cgns的文件形式導(dǎo)入FastCAE VR后處理模塊，可進(jìn)行VR沉浸式漫游體驗(yàn)。
展開 船舶阻力預(yù)報(bào)CFD研究現(xiàn)狀
在船舶行業(yè)，CFD能準(zhǔn)確捕捉復(fù)雜流動(dòng)形態(tài)及結(jié)構(gòu)；流動(dòng)區(qū)域平均物理量（速度及壓力）的預(yù)報(bào)已達(dá)到較高精度；固壁邊界的水動(dòng)力系數(shù)（摩擦阻力和粘壓阻力系數(shù)）的預(yù)報(bào)已達(dá)到一定精度，可用于初步設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用問題；自由表面流動(dòng)的計(jì)算進(jìn)步較快，波形的預(yù)報(bào)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)木取?通過CFD計(jì)算分析，可以對(duì)多個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案給出正確的排序。比之單由水池試驗(yàn)，CFD分析的長(zhǎng)處是它允許對(duì)更寬范圍的備選船型方案進(jìn)行測(cè)試。比較理想的做法是，它適合用來選擇有希望的備選設(shè)計(jì)方案作進(jìn)一步的水池試驗(yàn)。CFD也指明對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)的部位和方法，比如，顯示出船身上的壓力分布的細(xì)節(jié)。
船舶阻力計(jì)算CFD的解決方案
船舶阻力計(jì)算CFD應(yīng)用需求
船舶的水動(dòng)力性能（快速性、適航性、操縱性）是由繞船的流場(chǎng)特性而決定，從理論上講通過求解描述流場(chǎng)特性的流體動(dòng)力學(xué)方程就能對(duì)相應(yīng)的水動(dòng)力性能做出預(yù)報(bào)。然而，由于自由面的存在、船體幾何形狀復(fù)雜（特別是船尾）、附體較多，導(dǎo)致自由面水波、流體分離、旋渦等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得流場(chǎng)中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，即使有了描述流動(dòng)過程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，長(zhǎng)期以來船模試驗(yàn)便成了研究船舶周圍流場(chǎng)特性的一個(gè)必不可少的手段。然而，船模試驗(yàn)不僅周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、很難得到詳細(xì)的局部流場(chǎng)信息，同時(shí)因?yàn)槌叨刃?yīng)，船模實(shí)際上并不能真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)船的流動(dòng)情況，存在很大的局限性。新的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)手段的引入已十分必要。
船舶阻力的CFD計(jì)算盡管存在自由表面、高雷諾數(shù)等多種難題，但近30年來通過人們不懈的努力，從勢(shì)流理論線性計(jì)算到非線性計(jì)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(jì)算能力和實(shí)用方面都發(fā)生了深刻的變化。過去只是在大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)才有的計(jì)算方法，如今已有很多商業(yè)化的CFD軟件可以應(yīng)用。
展開 1、問題描述本案例演示船舶阻力預(yù)測(cè)模擬的工作流程。船體置于虛擬拖曳試驗(yàn)池中，模型如下：
2、軟件設(shè)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(tài)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(shè)置水面初始波的數(shù)據(jù)。物理模型的選擇如下：
（2）定義歐拉相；在連續(xù)體continuum中，右鍵單擊Models > EulerianMultiphase > Eulerian Phases 節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建新相，把新相命名為H2O，在H2O節(jié)點(diǎn)選擇液體和恒密度模型。同樣的方式設(shè)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(shè)置VOF波；在模擬期間，自由表面水位隨時(shí)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(xiàn)的Flat Vof Wave 1節(jié)點(diǎn)設(shè)置流和風(fēng)的速度；設(shè)置完Flat Vof Wave 1的屬性如下：
（4）設(shè)置初始條件；設(shè)置壓力、速度和體積分?jǐn)?shù)的初始條件。
（5）阻尼波反射；在流動(dòng)阻力模擬時(shí)發(fā)生波反射。波反射有兩個(gè)來源：一是來自邊界的波反射，二是由于突兀的網(wǎng)格過渡造成的波反射，為了避免這些波反射與真正的波場(chǎng)相互作用，從而導(dǎo)致結(jié)果無效。STAR-CCM+提供了 VOF 波阻尼功能。
展開 空氣阻力被建模為施加在正面投影區(qū)域中心的力。
55 節(jié)時(shí)的波型（左）、不同船體站的船首波浪剖面以及 55 節(jié)時(shí)船體上的流體動(dòng)力壓力（右）。
模型測(cè)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(dòng)力學(xué)光滑表面光潔度。在湍流刺激下，從船首到第 17 站，細(xì)沙粒沿著龍骨粘在船體上。
阻力測(cè)試是使用 MARINTEK 的高速鉆機(jī)拖曳的模型進(jìn)行的，包括阻力、縱傾和下沉測(cè)量。在測(cè)試設(shè)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(duì)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(yù)測(cè)中。
船體和波型的底部和透視圖。
轉(zhuǎn)換為總船舶阻力
使用形狀因子方法將船體模型（數(shù)字或?qū)嶒?yàn)）轉(zhuǎn)換為全尺寸船舶。該方法假設(shè)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(shù) k0 來確定的，這對(duì)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(shù)值或?qū)嶒?yàn)結(jié)果換算成船舶總阻力RTs時(shí)，通過經(jīng)驗(yàn)公式考慮船體表面粗糙度的影響。結(jié)果以無量綱總船舶阻力 CT 的形式表示。
結(jié)果
下表比較了從模型試驗(yàn)方法和 CFD 方法獲得的預(yù)測(cè)總船舶阻力。對(duì)于所有速度，結(jié)果一致在 0.7% 以內(nèi)。水動(dòng)力縱傾角在 0.5 度以內(nèi)一致。這是一個(gè)令人滿意的結(jié)果，因?yàn)榭v傾測(cè)量沒有針對(duì)比例效應(yīng)進(jìn)行校正，并且 CFD 網(wǎng)格可以圍繞船體進(jìn)一步細(xì)化，盡管本研究不需要這樣做。
模型試驗(yàn)結(jié)果和 CFD 結(jié)果的無量綱總船舶阻力 CT 和水動(dòng)力縱傾角的比較
結(jié)論
CFD 預(yù)測(cè)與平靜水面條件下船舶總阻力模型測(cè)試結(jié)果的一致性增強(qiáng)了 Marintek 對(duì)其海洋應(yīng)用的 Fidelity CFD 解決方案的信心。
文章來源：cadence博客
展開 受不斷上漲的燃油成本以及日益嚴(yán)峻的各種排放限制的影響，船主不得不想方設(shè)法地減少船舶阻力并降低裝機(jī)功率。減少船舶摩擦阻力的其中一個(gè)方法就是使用空氣潤(rùn)滑系統(tǒng) (ALS)，這是一種在船體水下部分釋放氣泡的方法。閱讀我們的白皮書，詳細(xì)了解對(duì)于ALS 和船舶阻力的 CFD 研究。
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空氣潤(rùn)滑系統(tǒng) (ALS)
本白皮書詳細(xì)介紹有關(guān)減少摩擦阻力的 3D 數(shù)值研究。編創(chuàng)人員研究了如何使用多物理場(chǎng) CFD 來研究空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)并幫助理解船舶效率。
船舶 CFD 研究
多物理場(chǎng) CFD 模型可以模擬復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)問題，而這些問題在試驗(yàn)池中無法準(zhǔn)確建模。這種數(shù)值研究方法可以在執(zhí)行物理測(cè)試之前更好地洞察船舶性能。本白皮書中的兩位行業(yè)專家將深入探討此項(xiàng)船舶 CFD 研究。
對(duì)注入氣泡后流動(dòng)參數(shù)改變的研究
對(duì)速度為 10 節(jié)時(shí)不同注入流速的研究
不同大小注入孔的流動(dòng)參數(shù)比較
船體減阻系統(tǒng)
詳細(xì)了解 2018 年采用杰出西門子軟件進(jìn)行的一項(xiàng) 3D 數(shù)值研究，研究?jī)?nèi)容是通過在船體之下注入氣泡來減少摩擦阻力。此外，研究人員還探索并比較了不同水速下不同注入流速的差別。
展開 
船舶阻力的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
船舶阻力的最新內(nèi)容
圖1 船體阻力
船舶阻力與造船工程實(shí)際密切聯(lián)系，對(duì)設(shè)計(jì)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(chǎng)，得出阻力數(shù)值和流場(chǎng)的流動(dòng)細(xì)節(jié)，能夠進(jìn)行實(shí)尺度模擬，省時(shí)省力。
AICFD 2024R1優(yōu)化多相流VOF算法，精度與魯棒性雙提升；船舶靜水阻力仿真計(jì)算，KCS、DTC、KVLCC2、JBC等標(biāo)準(zhǔn)船型典型工況仿真值與實(shí)驗(yàn)值誤差均小于3%，仿真速度比肩國(guó)外商軟，達(dá)到船舶行業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)。
【工程應(yīng)用】船舶阻力、螺旋槳敞水、船槳舵自航等
【創(chuàng)新貢獻(xiàn)】自動(dòng)化計(jì)算流程（一鍵計(jì)算）+智能化計(jì)算參數(shù)優(yōu)化
【算例文件】關(guān)注微信公眾號(hào)“云數(shù)仿真”進(jìn)行咨詢或聯(lián)系jianchen122004@126.com
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操作流程
KCS船采用CAESES軟件提供參數(shù)化模型，采用SHIPFLOW軟件計(jì)算船舶阻力。其數(shù)值仿真模擬計(jì)算流程如圖2所示，綠色表示變量、藍(lán)色表示文件、橙色表示調(diào)用的軟件，文件上方的路徑表示文件相對(duì)于項(xiàng)目文件夾的相對(duì)路徑。
（a）總壓等值面圖（顏色代表速度大小）
（b）聲壓級(jí)頻譜
圖5 某乘用車氣動(dòng)噪聲仿真分析
4）
優(yōu)化多相流VOF算法
AICFD 提供多種多相流模型，支持水管理、船舶靜水阻力、混合流動(dòng)等多相流仿真分析。其中，VOF模型是一種應(yīng)用于固定歐拉網(wǎng)格的界面跟蹤技術(shù)，適合模擬分層或自由表面流動(dòng)。
過去的海洋船舶設(shè)計(jì)研究主要依靠拖曳水池的縮小模型來了解船舶阻力、耐波性、推進(jìn)和操縱。然而，這些模型的雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)存在差異由于模型縮小了。借助CFD仿真技術(shù)，現(xiàn)在可以測(cè)試全尺寸模型。但 CFD 中的網(wǎng)格生成步驟通常需要專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，尤其是在處理復(fù)雜的幾何形狀時(shí)。此類復(fù)雜的幾何形狀可能具有空腔、重疊表面、擠壓和鞍角，這些都會(huì)妨礙高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分和精確的 CFD 解決方案。
這有助于改進(jìn)設(shè)計(jì)，減少湍流阻力，提高船舶的操縱性和穩(wěn)定性。
6.考慮多物理場(chǎng)耦合
Star-CCM+ 還可以模擬船舶行業(yè)中常見的多物理場(chǎng)問題，如結(jié)構(gòu)與流體耦合、熱傳導(dǎo)與流體耦合、流體與湍流聲耦合等。這有助于更全面地評(píng)估船舶的性能和可靠性，加強(qiáng)設(shè)計(jì)的合理性。
無論您是美洲杯帆船賽還是旺代環(huán)球帆船賽活動(dòng)或正在努力減少阻力并提高船舶的推進(jìn)效率，您可以相信我們的自動(dòng)化功能能夠準(zhǔn)確、快速地提供最佳結(jié)果。
文章來源：cadence博客
即使航行速度和吃水保持不變，船舶的阻力也會(huì)發(fā)生變化，這取決于縱傾角度。
他們將船舶流體動(dòng)力學(xué)阻力數(shù)據(jù)和螺旋槳數(shù)據(jù)添加到軟件中，從而獲得吸收功率的估算值。此值對(duì)應(yīng)于以所需速度推動(dòng)船舶所需的功率。仿真結(jié)果如圖3所示。
