船舶阻力的案例
基于STAR-CCM+的船舶阻力預測
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 船舶阻力CFD模擬分析 ?
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 [案例分析]STARCCM+入門系列之——船舶阻力預測模擬
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 使用 Fidelity FINE Marine 預測船體阻力曲線
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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文檔 I 借助 CFD 軟件進行船舶減阻分析（免費下載）
受不斷上漲的燃油成本以及日益嚴峻的各種排放限制的影響，船主不得不想方設法地減少船舶阻力并降低裝機功率。減少船舶摩擦阻力的其中一個方法就是使用空氣潤滑系統 (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，詳細了解對于ALS 和船舶阻力的 CFD 研究。
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空氣潤滑系統 (ALS)
本白皮書詳細介紹有關減少摩擦阻力的 3D 數值研究。編創人員研究了如何使用多物理場 CFD 來研究空氣潤滑系統并幫助理解船舶效率。
船舶 CFD 研究
多物理場 CFD 模型可以模擬復雜流體動力學問題，而這些問題在試驗池中無法準確建模。這種數值研究方法可以在執行物理測試之前更好地洞察船舶性能。本白皮書中的兩位行業專家將深入探討此項船舶 CFD 研究。
對注入氣泡后流動參數改變的研究
對速度為 10 節時不同注入流速的研究
不同大小注入孔的流動參數比較
船體減阻系統
詳細了解 2018 年采用杰出西門子軟件進行的一項 3D 數值研究，研究內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 真愛的小船乘風破浪
真愛的小船乘風破浪
新世紀以來，我國船舶工業快速發展，取得顯著成就，已成為世界最具影響力的造船大國之一。在民用船舶飛速發展的同時，大型軍用艦艇的發展更是揚眉吐氣。在改造航母“遼寧號”正式服役并逐漸形成戰斗力之后，中國真正自主設計制造的第一艘航母，代號為001A工程，已被確定命名為“山東號航空母艦”，預計將在2018年建成。
船舶行業CFD應用是伴隨著電子計算機的高速發展，與船舶流體力學相結合的數值模擬產物。船舶行業CFD技術的應用能提高設計質量、縮短設計周期、降低設計成本，因而得到了普遍的重視，是國際船舶界十分活躍的前沿研究課題。
CFD在船舶行業研究現狀
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。
展開 Cadence Fidelity：舊拖車坦克的新花樣
同樣，通過將船舶模型拖入巨大的水池中，造船工程師可以識別并理解影響船舶適航、操縱和破冰能力的不同因素。
拖曳水池或實驗池
傳統的拖曳水池是數百米長的大型水池或游泳池形狀的實驗設施。這些拖曳水箱推動了船舶設計科學的發展，為了解不同海水條件下的船舶流體動力學提供了見解。測試船舶設計的基本做法是使用拖曳機構將模型拖入水箱中，并測量在此過程中模型上的力。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。被拖曳的模型通常放置在車廂的中間。用于研究船舶流體動力學的拖曳水池就像用于車輛空氣動力學測試的風洞。
船舶功率預測需要進行三項測試， 分別是：
靜水阻力測試：該測試有助于確定船舶設計速度所需的阻力。在該測試中，船舶以不同的速度（至少五種不同的速度）被拖入水箱中，并記錄船舶上各自的力的測量結果。通常需要放大全尺寸模型的測量。該測試是船舶建造合同的核心，如果承包商不滿足規定的速度要求，他們將受到處罰。
開放水域螺旋槳分析：該測試用于測試螺旋槳性能。在這里，螺旋槳以 20 RPS 的速度進行測試，測功機以不同的速度運行。牽引水箱對于螺旋槳測試不是必需的。也可以在較小的水盆中進行測試。對于用測功機設置在不同速度下拖入水箱的螺旋槳，記錄扭矩和轉速的精確測量值。在不同的螺旋槳速度下，可以繪制測功機相應的速度圖表，以研究螺旋槳的性能。
展開 【CFD數值模擬算例】船舶運動數值模擬自動化智能化方法
船舶運動數值模擬自動化智能化防范
【計算軟件】OpenFOAM開源平臺
【仿真平臺】自建高性能計算集群
【算例說明】基于OpenFOAM流體力學開源軟件提出了船舶運動值模擬自動化和智能化方法，可使計算流程自動完成；通過逐個分析不同參數的影響，智能化分析多工況數值模擬結果和大數據平臺，可得到優化的計算參數，從而使數值模擬的人工處理部分最大限度地減少，同時計算過程達到最大程度地簡化，數值計算結果可靠，可滿足工程應用的需求。自動化和智能化處理的概念和方法，也可用于其他數值模擬領域。
【工程應用】船舶阻力、螺旋槳敞水、船槳舵自航等
【創新貢獻】自動化計算流程（一鍵計算）+智能化計算參數優化
【算例文件】關注微信公眾號“云數仿真”進行咨詢或聯系jianchen122004@126.com
更多精彩內容請關注微信公眾號“云數仿真”...
展開 CAESES與FINE?/ Marine的連接計算
FINETM/ Marine是NUMECA公司為船舶與海洋工程打造的專業CFD軟件包。該軟件以其自身技術優勢及特點為船舶及海洋工程提供了新穎有效的解決方案，促進船舶與海洋工程更快更好地發展，縮短研發周期，減少成本，增加競爭力，在歐美各大企業及實驗室享有盛譽。
FINETM/ Marine 內置的C-Wizard設置向導模塊，可以是客戶快捷的進行船舶阻力計算設置，同時其提供批處理計算功能使得與CAESES的耦合優化成為可能。
在CAESES中可以方便的為船體設定計算的流體域，進而生成適用于FINETM/ Marine計算的STL文件。
利用CAESES的software connector功能，可以將C-wizard腳本放入優化流程過程當中，并提取相應計算結果。
CAESES中FINETM/ Marine計算過程如下圖所示:
利用CAESES提供的變型功能，可以對船體主尺度，尾封板高度，球艏形狀等進行變化，相應的STL文件也會發生對應的光順變型。最終構建船型優化的整個流程。
展開 【新聞】DTEmpower核心功能技術揭秘(5) - AIAgent模塊
船舶興波阻力回歸分析
① 數據集介紹：本方案中采用的數據集是經SHIPFLOW軟件計算興波阻力的數據集，該數據集輸入參數是draft、Halfbeam、Height、Loa、BulbLengthChange，目標參數是興波阻力eval_CWTWC。
② 建模方法：采用圖4所示的建模方法，對輸入和輸出之間的映射關系進行回歸分析建模。該方法采用了CART、Bagging、Adaboost 和AIAgent訓練算法進行回歸分析建模。然后對比不同模型的R2、MSE、MAPE等指標和在測試集上對目標變量的擬合誤差。
圖4 基于DTEmpower軟件平臺的船舶興波阻力回歸分析建模方案。其中AIAgent節點為本次實驗中用到的回歸訓練算法，無需做過多的節點屬性配置，用戶即可搭建完整的建模流程。
③ 實驗結果：通過表1和圖5不難發現，在船舶興波阻力數據集上，AIAgent訓練算法的R2、NRMSE、MAPE等指標均優于其他3種訓練算法，而在測試集上的擬合誤差圖也進一步說明了AIAgent訓練算法相較于普通訓練算法具有優越的泛化性能。
展開 船舶搖蕩簡單介紹
船舶的搖蕩是無法完全避免的，但可設法減小搖蕩幅度，適當增大搖蕩周期。采用減搖設備可減小搖蕩幅度，目前采用的減搖裝置主要有下列幾種。
舭龍骨
舭龍骨是裝設在舭部外側，沿著水流方向的一塊長條板，如圖1所示。舭
圖1
龍骨的作用是減小船舶橫搖，由于減搖效果較好，制造簡單，幾乎所有的船舶均裝設有舭龍骨。但舭龍骨會對船舶的航行產生一定的附體阻力。
舭龍骨板的長度約為1/3船長，寬度為船寬的3%～5%，呈長條形近似垂直裝于船的舭部，其外緣不超過船的半寬線與船底基線所圍的范圍，以免受到碼頭和海底等碰損。在結構形式上，舭龍骨有連續式的和間斷式的兩種結構連續式結構簡單，適用于航速不很高的船。
間斷式結構適用于高速船，其優點是對船舶的航行阻力較小，而對橫搖阻力較大。為了防止舭龍骨損壞時使船體外板受損，舭龍骨一般不直接焊接在舭部外板上，而是用一塊覆板將兩者連接起來。
減搖鰭
減搖鰭，一般是一個長約為3.0 m，寬為1.5 m的長方體，剖面
圖2
為機冀型，安裝在船中央附近兩舷的舭部。在船內設置操縱機構，根據需要可將減搖鰭收進船內或伸出舷外，所以減搖鰭不會形成附體阻力。減搖鰭可調整機翼剖面相對于水流的攻角，使兩舷的減搖鰭所產生的升力形成一個阻礙船舶橫搖的力偶矩，如圖2所示，同時使力偶矩方向的改變與船舶橫搖同步，這樣可有效地減小船舶橫搖。因減搖鰭需配備有自動操縱系統，故造價高。
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視頻分享 I 面向電動船舶推進的集成式仿真工具
應對電動船舶推進系統設計的挑戰
電動動力總成和推進系統不僅噪音低，而且能夠減少排放。客輪、港內船和休閑船都在向全電動解決方案發展。但是，如何設計電動機和電池組并將其集成到船舶設計中成了新的挑戰。例如：
如何確保電池組在整個操作過程中滿足功率要求？
符合電力安全規定的下限電機尺寸是多少？
如何優化電機和電池，以盡可能地降低能源需求和噪音？
我們的解決方案不僅可以幫助您回答這些問題，還能解決更多問題。無論您研究的是動力系統集成、電池組和電機系統，還是高保真組件優化，我們的仿真工具都能為您的電動船舶推進系統創建數字孿生。立即觀看，了解如何預測性能，研究替代設計，更快實現您的電動設計目標。
本次電動船舶設計網絡研討會的目標受眾是哪些人？
對改用電動船舶推進系統中的設計問題感興趣的造船工程師。我們將展示如何使用 CFD 仿真預測船舶阻力，并將結果與 1D 系統仿真相結合，以預測功率要求、所需的電池組和電機架構。
我們還將介紹如何使用具有更高保真度的仿真工具研究和優化電池和電機性能。這對希望深入研究電氣組件性能的工程師和船舶供應商而言很有助益，可以使他們根據船舶要求定制產品并加快設計流程。
電動船舶推進系統仿真案例
將一艘138米首尾同型承重渡輪單程5公里的行駛時間由25分鐘縮短到至15分鐘，速度提升到10節
應對惡劣海況、水況或高地等因素，為評估船速達到10或40節所需的動力建立仿真模型
聯合電磁物理學和熱物理學進行仿真，構建并試驗針對船舶電動機的設計
了解有關船舶仿真解決方案的更多信息
要開發新一代船舶并提升現有船隊的效率，必須采用集成式設計方法。造船工程師和船舶供應商需要在短時間內實現效率改進和技術創新，并確保其設計在各種運行條件下都表現出眾。
展開 自推式的自升式船舶的船體優化
DEKC Maritime 公司正在負責一艘自推式的自升式船舶的改造設計和施工工程。針對這次改造，增加了樁腳（頂升腿的“腳”）的尺寸，以降低施加在海床上的壓力。此外，為了增加貨物裝載量，不僅增加了設計吃水，并且沿著船的側面增加了支撐。
增大的樁腳，更深的吃水以及增加的船梁對于升級后船舶的水動力特性有顯著影響。對于擴大的樁腳來說尤其如此，這些增大的樁腳尺寸太大而不能嵌入船體。由于沒有對推進系統進行任何改動，因此保持較低的附加阻力是必不可少的，這樣可以使得原始 12 節設計速度下的速度損失被降至最低。
流動體幾何
因此，為了避免額外的阻力，DEKC Maritime 公司圍繞樁腳設計了流線型流動體，并將這些流動體的設計和舷側支撐的設計結合起來。下面顯示的是原始布置（帶有藍色樁腳），沒有流動體的新布置（帶有綠色樁腳），以及有流動體的最終布置（流動體以紅色顯示）。
原始布置（左），沒有流動體的新布置（中）和最終布置（右）
使用 CAESES 進行舷側支撐和流動體幾何的設計。廣泛地使用 CAESES 的內置工具（如f-splines 和 meta-surfaces）用于創建幾何圖形，并根據需要編寫附加功能。最終的幾何形狀由現有的船體形狀和一些關鍵設計參數定義。隨后，這些設計參數被施加約束，以求得到既能提供最小阻力又能滿足施工要求的設計。
流動分析（CFD）
為了評估并且降低升級對船舶阻力和推進的影響，DEKC Maritime 公司建立了一套初步的設想，并在 FINE / Marine 中對這些設想進行了分析。
展開 HydroComp 網絡研討會看點回顧（一）
受到全球持續疫情的影響，我們全球很多重要合作伙伴紛紛采取在家辦公的方式應對，我們重要合作伙伴HydroComp公司在近期推出了一系列的網絡研討會，這次我們挑選2期精彩內容做相應回顧，后續也會持續跟蹤并分享：
Waterjets in NavCad：data,settings, and calcs NavCad如何使用噴水推進器進行數據輸入，設置和計算
Pushboats and propellers頂推船和螺旋槳
如何使用噴水推進器進行數據輸入，設置和計算
NavCad主要提供船舶阻力預測及推進系統的分析選型，包括螺旋槳、主機、傳動設備等。主要功能包括船體阻力計算、附加阻力計算、圖譜法螺旋槳選型、船槳相互作用、船舶多工況下油耗分析、船舶加速分析、噪音空泡以及淺水等補充分析。
NavCad支持多種類型的推進裝置，例如螺旋槳，導管槳，噴水推進，對轉槳等等。噴水推進，在推進評估過程中，我們需要找到推進器與船體的匹配關系，與螺旋槳sizing途徑有些區別，在常規propeller sizing 中我們需要找到合適的螺旋槳直徑，螺距，盤面比等參數，waterjet 需要通過廠家提供的性能曲線來進行匹配和評估。
通過常規的噴水推進曲線圖進行waterjet的特征輸入：
本次網絡研討會中詳細的介紹了如何使用waterjet進行推進評估，如何輸入waterjet特征參數，如何進行計算參數的設定。最后，還邀請到了芬蘭的waterjet廠家進行遠程連線，分享經驗。
展開 【技術】NavCad 船型導入功能-解放生產力，告別繁瑣的參數輸入
NavCad是HydroComp公司的一款主要提供船舶阻力預測及推進系統的分析選型的軟件。用戶可以通過輸入對應船型參數，進行對應船型性能的預測與評估，NavCad需要輸入的參數并不多，對于熟悉軟件的客戶，大部分參數可以相對快速、準確的找到并輸入，但還有少部分參數并不容易得到或者需要一些經驗。例如在NavCad高級版中的ADVM（AnalyticalDistributed Volume Method）方法，需要輸入各個橫剖面站位的剖面面積與型心等信息，這些信息在很多情況下并不能很簡單的得到。
*ADVM需要手動輸入每個橫剖面的剖面信息
NavCad CAD import 功能是針對已有船型幾何的情況下，開發的對船型進行自動捕捉，自動識別的工具。可以極大的提高船型參數的輸入效率與準確性。
用戶通過導入已有船型幾何，例如STL,OBJ格式，NavCad可以自動識別船型參數，通過這些參數，NavCad計算相應船型性能。下面分別通過例子展示CAD import工具的功能，分別是ITTC-78（CT）排水量型船型和Planing高速艇船型。
一、ITTC-78（CT）排水量船型
首先打開CAD import工具界面，設置好單位，點擊import，導入對應的船型幾何文件，目前支持的幾何格式有STL (ASCII) 與 OBJ。需要注意的是，導入的幾何必須是整船幾何，而且是封閉的。
*導入船型幾何
導入幾何后，調整幾何方向，使得幾何滿足如下圖所示方向，并選擇對應的船型設置參數（ITTC 78）。
點擊waterline設置水線位置，尾封板位置等。
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