船模的案例
研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模
CFD計算方法驗證
（Wageningen B4-55 + NACA 0020水動力系數CFD計算值與實驗值比較）
舵力模型驗證
（采用本文提出的舵力模型得到的KVLCC2船模-35°回轉實驗仿真結果與實驗結果的比較）
03
模型建立
在驗證了本文提出的操縱運動模型后，本文以雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模為對象，采用上文所述的CFD與經驗公式相結合的方法，建立了其操縱運動模型。
對雙槳雙舵64箱內河集裝箱船一舷的槳舵系統開展CFD仿真，得到的槳舵系統附近流場的壓力及流線分布如下圖所示。
壓力及流線分布
而后，比較了三種舵力模型，即Fujii模型、Liu2017中提出的模型和本文提出的模型。通過與±35°回轉實驗與±20°/±20°Z形實驗數據的比較，可以看出，本文提出的舵力模型能較好地描述操縱運動過程中時歷參數的變化。
三種舵力模型的比較
將雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模-15°回轉實驗與-20°/-20°Z形實驗的時歷參數與仿真值進行比較，如下圖所示。可以看出，本文基于CFD與經驗方法提出的操縱運動模型能較好地捕捉到操縱運動中時歷參數的變化。
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CFD計算方法驗證
（Wageningen B4-55 + NACA 0020水動力系數CFD計算值與實驗值比較）
舵力模型驗證
（采用本文提出的舵力模型得到的KVLCC2船模-35°回轉實驗仿真結果與實驗結果的比較）
03
模型建立
在驗證了本文提出的操縱運動模型后，本文以雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模為對象，采用上文所述的CFD與經驗公式相結合的方法，建立了其操縱運動模型。
對雙槳雙舵64箱內河集裝箱船一舷的槳舵系統開展CFD仿真，得到的槳舵系統附近流場的壓力及流線分布如下圖所示。
壓力及流線分布
而后，比較了三種舵力模型，即Fujii模型、Liu2017中提出的模型和本文提出的模型。通過與±35°回轉實驗與±20°/±20°Z形實驗數據的比較，可以看出，本文提出的舵力模型能較好地描述操縱運動過程中時歷參數的變化。
三種舵力模型的比較
將雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模-15°回轉實驗與-20°/-20°Z形實驗的時歷參數與仿真值進行比較，如下圖所示。可以看出，本文基于CFD與經驗方法提出的操縱運動模型能較好地捕捉到操縱運動中時歷參數的變化。
展開 【專題研究】美國海軍艦船的水動力設計與優化簡介
但是，這種節能效果并不完全適用于整個速度范圍，水池試驗表明：傅汝德數較低時，尾壓浪板的船模數據不佳，當尾板或尾壓浪板浸沒深度增大時，功率損失增加。2005年研究表明，尾壓浪板在低速時阻力性能不佳歸因于其垂向位置。船模試驗記錄了低速時的流體數據，流線譜表明與無尾壓浪板條件相比，浸沒較深的尾壓浪板常會增加與船軸相反的渦系。NSWCCD得出結論：減少或消除渦系的最優辦法是重新布置尾壓浪板的位置，這樣尾壓浪板可以成為阻止渦系形成的端板，這種想法類似于飛機上常用的減少翼尖渦流的端板或翼梢小翼，這樣翼尖的有效面積或升阻比會增加。
NSWCCD將這種位置改變的尾壓浪板稱為“step flap”，其垂向位置與標準的尾壓浪板不同，后者一般與船尾端部保持平齊。而Step flap的有效位置位于作業水線和船尾最下部之間的中間區域，這種布置基于大量船模試驗，包括半滑行船體、大型航母、低速兩棲艦等。
三、水動力分析工具
水動力的分析包括主船體、附體和螺旋槳的優化，具體包括針對阻力的船形尺度優化、船首形狀參數的優化、船首或船尾側推形狀的優化、推進附體的形狀優化等。水動力優化既可以通過船模試驗進行分析，也可以利用水動力計算軟件等進行模擬，例如20世紀80年代末NSWCCD在優化驅逐艦的尾楔的水動力設計時，尾楔設計組合使用了船模試驗和XYZFS勢流計算程序預報，最終設計表明新尾鰭既降低了低速時一般尾楔產生的功率損失，最大航速時可減少6%的收到功率，并且每年可減少約2%的燃油消耗。
據了解，過去三十多年，CFD在船舶水動力領域的應用取得了諸多發展與進步，從最初解決動量方程等式、邊界層、半拋物線雷諾平均（RANS）方程發展到全雷諾平均方程、六自由度（6DOF）運動預報以及運動控制器。
展開 【綜述】船舶在波浪上縱向運動與控制研究
2017年，Javad 等 [37] 基于靜水中的模型試驗提出了一種非線性控制方法（即當模型運動方向改變時立即讓 T 型翼和壓浪板的轉角轉到反向最大值，類似于階躍控制），并將其與采用縱搖角速度信號、垂蕩速度信號控制 T 型翼和艉壓浪板的擺角時船模在規則波上的運動進行對比，試驗結果發現，采用非線性控制具有更好的減搖效果，并且采用垂蕩速度控制附體擺角更有利于控制船模的垂蕩位移；相應的，采用縱搖角速度控制附體擺角更適合減少船模的縱搖響應。
2018 年，孫一方等 [38] 以 Wigley船型為研究對象，基于自由表面隨機渦法計算了時域中不同航速下船的垂蕩、縱搖和艏加速度值。通過對力矩控制策略進行分析，采用縱搖角、角速度和角加速度分別對 T 型翼擺角進行控制，提出并計算了各工況下各控制信號的增益系數，將計算結果與無 T 型翼的裸船模進行了對比，試驗結果表明，低速時采用縱搖角信號作為 T 型翼的控制信號具有更好的減搖效果，而在中、高速情況下采用縱搖角速度信號控制T 型翼的擺角在多數情況下減搖效果更好。
展開 
船舶阻力CFD模擬分析 ?
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。
與試驗相比CFD數值模擬技術的優勢
與試驗驗證相比，CFD數值模擬技術具有如下特點：信息量大，成本低，易并行化、能快速響應，這使得CFD數值模擬技術在下述方面具有優勢：
（1）依靠CFD數值模擬，可以在一定的流動空間范圍內給出流場的定量計算結果，便于分析各種流動參數（如Fn數、Re數和流體的物性等）以及幾何構造對流動規律的影響，對艦船總體水動力性能實現廣參數（較多的參數種類、較寬的參數范圍）考察。
（2）可快捷地實現多方案選優。
（3）一體化模擬多部件的組件內外流統一流場，針對如船體螺旋槳（含泵噴、噴推、導管槳等）/舵/附體等對象物，總體上把握整個組件的整體特性，局部上把握各部件自身的整體特性和之間的相互干擾和影響作用，避免了分立地進行部件試驗模擬的片面性。
（4）采用全尺度幾何模型，在真實物理、幾何尺度上計算求解，避免了在水池試驗模擬時模型縮尺比帶來的長期困擾人們的尺度效應問題。
展開 船舶快速性、水動力學分析Shipflow?
Shipflow是一款性能優越的船舶流體力學分析專用軟件（數字化船模水池），適于民船和軍船的各種水動力特性研究，能夠分析波浪模式、空間流線和波浪增阻、航行下沉和縱傾、粘性阻力、興波阻力、誘導阻力、升力以及螺旋漿效率等船體特性參數。
產品概述
Shipflow最初由瑞典的SSPA 公司和 Chalmers 科技大學在80年代聯合研制并推出，是針對船體和潛水器流體動力學數值模擬的專用軟件。經過20多年的發展，在全世界擁有眾多的客戶群，為船舶流體力學研究提供了可靠、便利的工具。 Shipflow 相當于數字化的船模水池，適于進行民船和軍船的各種水動力特性研究。 Shipflow 模擬可以給出波浪模式、壓力分布、速度矢量、空間流線和波浪增阻、航行下沉和縱傾、粘性阻力、興波阻力、誘導阻力、升力以及螺旋漿效率等船體特性參數。通過結合具體船型進行船舶流場特性預報，比較不同線型方案的性能優劣，提高船舶設計質量，縮短設計周期降低設計成本，發揮設計人員的創造性，加速產品更新換代。
展開 真愛的小船乘風破浪
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。
與試驗相比CFD數值模擬技術的優勢
與試驗驗證相比，CFD數值模擬技術具有如下特點：信息量大，成本低，易并行化、能快速響應，這使得CFD數值模擬技術在下述方面具有優勢：
（1）依靠CFD數值模擬，可以在一定的流動空間范圍內給出流場的定量計算結果，便于分析各種流動參數（如Fn數、Re數和流體的物性等）以及幾何構造對流動規律的影響，對艦船總體水動力性能實現廣參數（較多的參數種類、較寬的參數范圍）考察。
（2）可快捷地實現多方案選優。
（3）一體化模擬多部件的組件內外流統一流場，針對如船體螺旋槳（含泵噴、噴推、導管槳等）/舵/附體等對象物，總體上把握整個組件的整體特性，局部上把握各部件自身的整體特性和之間的相互干擾和影響作用，避免了分立地進行部件試驗模擬的片面性。
（4）采用全尺度幾何模型，在真實物理、幾何尺度上計算求解，避免了在水池試驗模擬時模型縮尺比帶來的長期困擾人們的尺度效應問題。
展開 淡水河谷帶來了全球最大礦砂船
在國家會展中心（上海）1號展館服務貿易展區1B2-001展位，淡水河谷展出了兩艘Valemax船模。
擁有40萬載重噸的Valemax，是世界上最大的散貨運輸船，專門為運輸巴西到中國的鐵礦石而設計。
Valemax長約360米，寬65米，高30米。如果將其直立，高度超過東方明珠最上方的球體。它的甲板面積相當于三個標準足球場，一次運載的40萬噸鐵礦石所制成的鋼鐵，可以建造40萬輛小汽車。
“Valemax為中國而生，大部分船只獲中國融資，由中國設計、在中國建造，并由中國領先的航運企業擁有及運營。”艾森喬表示。
此次展出的兩艘Valemax船模，均是第二代產品，分別是今年1月11日交付的由上海船舶設計研究院設計、歸屬中遠集團的“遠河海”號，以及今年8月15日交付的由青島北海船舶重工有限責任公司建造、歸屬招商局能源運輸股份有限公司的“明通號”。
全球第一艘Valemax于2011年3月交付使用。截至2014年底，共有35艘Valemax投入運營。它們被稱為第一代Valemax，與廣泛用于鐵礦石運輸行業的傳統海岬型船相比，可減少35%的溫室氣體排放。
第二代Valemax于2016年啟動建造，第一艘交付使用的就是展臺上展出的“遠河海”號。
據淡水河谷展位負責人士介紹，第二代Valemax與海峽型船相比，可將港口運營效率提高約140%，且減少41%的溫室氣體排放，將是全球最有效減少溫室氣體排放的船舶之一。它還預留了將柴油驅動改裝為清潔能源LNG驅動的空間。
淡水河谷預計，到2020年，共將有33艘第二代Valemax投入運營。屆時，Valemax船將共有68艘。
展開 船舶快速性、水動力學分析Shipflow介紹
Shipflow是一款性能優越的船舶流體力學分析專用軟件（數字化船模水池），適于民船和軍船的各種水動力特性研究，能夠分析波浪模式、空間流線和波浪增阻、航行下沉和縱傾、粘性阻力、興波阻力、誘導阻力、升力以及螺旋漿效率等船體特性參數。
產品概述
Shipflow最初由瑞典的SSPA 公司和 Chalmers 科技大學在80年代聯合研制并推出，是針對船體和潛水器流體動力學數值模擬的專用軟件。經過20多年的發展，在全世界擁有眾多的客戶群，為船舶流體力學研究提供了可靠、便利的工具。 Shipflow 相當于數字化的船模水池，適于進行民船和軍船的各種水動力特性研究。 Shipflow 模擬可以給出波浪模式、壓力分布、速度矢量、空間流線和波浪增阻、航行下沉和縱傾、粘性阻力、興波阻力、誘導阻力、升力以及螺旋漿效率等船體特性參數。通過結合具體船型進行船舶流場特性預報，比較不同線型方案的性能優劣，提高船舶設計質量，縮短設計周期降低設計成本，發揮設計人員的創造性，加速產品更新換代。
展開 基于STAR-CCM+的船舶阻力預測
背景及意義
船舶阻力預測是船舶設計的重要環節，當前實船阻力計算與預測主要依靠船模試驗，該方法試驗周期較長，試驗成本高昂；伴隨計算機技術的快速發展，以流體力學為基礎的CFD方法則更加靈活和經濟。本文將基于star ccm+對某型KCS船舶進行阻力預測，為船舶設計與改型提供強有力的參考。
一、案例介紹
1.star ccm+運行外部硬件環境
名稱
CPU
內存
硬盤
要求
四核及以上
32G及以上
剩余30G及以上
2.模型介紹
KCS是集裝箱船中具有代表性的船型，模擬船型幾何外形如上圖所示，其尺寸如下：
船長Lpp（m）
型寬B（m）
型深D（m）
吃水d（m）
實船
230.0
32.2
19.0
10.8
船模
7.278
1.0190
0.6013
0.3418
二、仿真計算過程
1.導入船型幾何體，生成網格
2.物理和數值設置
水面船在航行過程中處于兩種流體中，分別是水和空氣，分界面是自由液面，在設定物理模型過程中自由液面默認為船體水線面。
展開 仿真技術改進賽艇裝備，幫助德國延續奧運佳績。
在仿真過程中，研究人員發現對于賽艇在水中位置固定不變的初始假設是不正確的，這一點顯而易見，因為仿真結果與在船模試驗池中進行比例模型實驗得出的結果相比有很大出入。
為了糾正這個問題，FES 的工程師采用可集成自定義FORTR AN? 子程序的CFX Expression Language 來自動確定船體的可變浮動位置，而這個位置取決于計算過程中的實際速度。每次迭代過程都要計算船體的最新浮動位置，同時網格結構也會發生變形。工程師利用ANSYS ICEM CFD 生成一個包含300 萬個單元的結構網格，用以在合理的計算時間之內執行大量瞬態仿真。
為取得更好的仿真效果，FES 團隊與來自CFX 柏林（ANSYS 的渠道合作伙伴）的專家進行交流。CFX 柏林不僅提供網格剖分和仿真方面的支持，還幫助FES 建立針對Linux? 和Windows? 硬件的高性能計算集群（HPC）。對移動船體的瞬態仿真曾經非常昂貴，但是現在僅需兩三天即可完成。
利用HPC，FES 團隊可對每類賽艇的20種不同虛擬設計方案進行高效評估，這樣工程師就可以胸有成竹地針對挑選出的最佳設計方案構建測試原型。因為全世界靜水沖刺賽道的條件都相同，因此仿真的目標不是準確復制船模試驗池的測試結果；而是理解不同艇體在相同邊界條件下的性能差異。根據數值計算的結果，優化后的船體外形可以減小潮濕表面的摩擦以及波浪的形成，從而可以減小總阻力，幫助德國隊向獎牌發起沖擊。
劃艇漿葉表面網格和周圍流體區域網格的近距離視圖
除了賽艇的流體動力學之外，FES研究的主要內容還包括劃槳方式。劃艇和皮艇的劃行過程包含驅動過程和恢復過程，驅動過程推動船體前進，恢復過程中船體開始減速。相應的循環頻率對沉浸、調整、拖拽阻力和提升的變化有影響。
展開 
淺談CAESES與船型優化
得益于近些年來計算機行業的發展以及CFD技術（Computational Fluid Dynamics）日趨完善，CFD技術在船舶行業的應用已經取得了長足的進步，其長遠目標-數值水池，是一種能夠代替船模水池實驗的數字水池，為船舶水動力性能設計提供全尺度的精確模擬。它不僅可以預報各類船舶在靜水中航行時的阻力，提高船槳舵的整體推進性能，還可以根據風、浪、流等環境載荷，預報船舶在海浪上的航行，加強船舶在惡劣海況下的性能。
船型優化
船型優化是目前CFD技術在船舶行業內的一項主要應用，所謂的船型優化只指通過改變船體線型以改進船體周圍流場以及尾部伴流場，最終實現船舶航行時的阻力降低和推進效率的提升。
船體尾部優化前后的伴流場對比
可見要準確獲取船舶周圍流場信息對船型設計是非常重要的，而這正是CFD所能提供的。相較于傳統的水池模型實驗，CFD不僅能夠完成模型尺度下的計算，還可以進行全尺度的分析，避免了模型船和實船之間的尺度效應誤差。CFD技術的另外一大優勢在于它的快速響應以及經濟性，相較于耗費數周的時間且動輒數十萬元的水池實驗，一個普通的CFD船體阻力計算在個人電腦上花上幾個小時甚至幾十分鐘就可以完成，且對比大量的水池實驗表明目前成熟的CFD軟件能夠提供5%以內的阻力誤差精度，足以滿足實際需求。
水池船模實驗vs CFD數值水池
優化方法
傳統的優化方式是依賴于手動調整船體線型，這是一個反復迭代的過程，非常需要工程師的耐心和經驗，因此只能局限于對少數工況的優化，比如1-2個航速下的阻力表現。
展開 船舶與浮冰的碰撞仿真模擬
目前，此類實驗對實驗材料的要求較高（如建造船模，拖曳水池，造冰器等），現實中不易實現，CFD仿真模擬則成為很好的研究方式。
本文針對船舶與浮冰的碰撞，提供一種簡要的CFD仿真技術路線并進行實驗結果對比，用以說明使用CFD工具實現船舶與浮冰仿真模擬的可行性。
基于改進人工勢場法和A*算法的欠驅動船模路徑規劃
基于改進人工勢場法和A*算法的欠驅動船模路徑規劃
DNV GL的散貨船優化
該散貨船船模試驗是在SVA水池進行的（使用對稱船尾），并與四艘匿名的相似船舶進行對比，不同設計吃水條件下對比結果見下圖：
Comparison of the optimized Diamond 2 carrier propulsion power coefficient with four other similar vessels
最終結果
最終船體優化采用的是不對稱船尾取代附體。仿真結果顯示，功率消耗又降低了2.6％。高效螺旋槳，舵和消渦的球鼻艏使得推進系統得以完整。Graig預計，效率提升將使燃料消耗量在優化航速12節下達到每天14.6噸。
The final Diamond 2 full form comes with on asymmetric stern shape
關于作者
非常感謝DNV GL的Bardo Krebber提供這個案例研究的有趣信息和圖片。Bardo是DNV GL波茨坦辦公室的船舶工程師和優化專家。他曾在TU-Berlin和 UNSW Sydney學習。10年來，他深度參與德國DNV GL Maritime Advisory（以前稱為FutureShip）的ECO-Lines服務的開發和項目工作。
“從Friendship Consulting，FutureShip到DNV GL，我們自2008年以來一直使用CAESES作為優化船體和附體的幾何工具。它是一個穩定的工作平臺，由一個創新團隊不斷維護和開發。開放式參數化方法完全符合我們的工作方式。因此，我們可以在CAESES中創建和開發自己的模型，為我們的客戶提供最好的船型。
CAESES將獨特的數學CAD與現代處理方式和外觀相結合。它的使用簡單直觀，但也為所有喜歡或需要數學定義的人提供完全控制。
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