1 前言
船舶的水动力性能(快速性、适航性、操纵性)是由绕船的流场特性而决定，从理论上讲通过求解描述流场特性的流体动力学方程就能对相应的水动力性能做出预报。然而，由于自由面的存在、船体几何形状复杂(特别是船尾)、附体较多，导致自由面水波、流体分离、旋涡等现象的出现，使得流场中的流动结构很复杂，即使有了描述流动过程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，长期以来船模试验便成了研究船舶周围流场特性的一个必不可少的手段。然而，船模试验不仅周期长、费用高、很难得到详细的局部流场信息，同时因为尺度效应，船模实际上并不能真实地再现实船的流动情况，存在很大的局限性。新的水动力性能预报手段的引入己十分必要。
计算流体力学(Computational Fluld Dynamics) 是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并对上述现象进行过程模拟。用它来进行流体动力学的基础研究，其主要优点是能以较少的费用和较短的时间来获得大量有价值的研究结果。随着计算机技术的飞速发展，数值方法不断改进，CFD 的计算精度不断提高以至满足工程实用要求逐渐成为可能，正成为研究船舶水动力性能的一种新的、快速而经济的重要工具。较为成功的应用实例是耐波性的计算程序的普及，升力线、升力面理论已取代了螺旋桨图谱设计。船舶阻力的CFD 计算尽管存在自由表面、高雷诺数等多种难题，但近30年来通过人们不懈的努力，从势流理论线性计算到非线性计算，从理想流体到粘性流体，从薄边界层到全NS 方程的求解，直至考虑自由面的NS方程的求解，CFD方法在计算能力和实用方面都发生了深刻的变化。过去只是在大学和研究机构才有的计算方法，如今已有很多商业化的CFD 软件可以应用。
2 CFD 技术在舰船总体性能设计与试验相比的优势
目前在船舶水动力研究上，CFD技术与试验互补，与试验结合，对试验提供辅助，使试验功能强化，由CFD技术获于取试验无法观察或难以观察到的流动信息或性能信息。CFD 技术与试验一起，成为舰船设计师获取总体水动力性能的途径。此外，科学地运用CFD技术，还可以改变整个舰船总体性能设计模式和流程。
2.1 与试验相比CFD数值模拟技术的优势
与试验验证相比，CFD数值模拟技术具有如下特点:信息量大，成本低，易并行化、能快速响应。这使得CFD数值模拟技术在下述方面具有优势:
(1) 依靠CFD数值模拟，可以在一定的流动空间范围内给出流场的定量计算结果，便于分析各种流动参数(如Fn数、Re数和流体的物性等)以及几何构造对流动规律的影响，对舰船总体水动力性能实现广参数(较多的参数种类、较宽的参数范围)考察。
(2) 可快捷地实现多方案选优。
(3) 一体化模拟多部件的组件内外流统一流场，针对如船体螺旋桨(含泵喷、喷推、导管桨等)/舵/附体等对象物，总体上把握整个组件的整体特性，局部上把握各部件自身的整体特性和之间的相互干扰和影响作用，避免了分立地进行部件试验模拟的片面性。
(4) 采用全尺度几何模型，在真实物理、几何尺度上计算求解，避免了在水池试验模拟时模型缩尺比带来的长期困扰人们的尺度效应问题。
(5) CFD 技术在细观机理考察上，有明显优势。为提高设计方案的性能，船舶科研人员积极探索新技术措施。科研人员利用CFD工具，实现细观观察，取得对新技术措施何以
提高性能的机理性理解，方能减少盲目性，能动地改进工作。
(6)与试验结果数据库技术相比，CFD数值模拟技术能适用于开发新船型和特殊船型，在新概念船型、开发上有明显优势。本文的研究是基于CFD技术对多方案的新型高耐波性单体复合船型的静水阻力进行粘性计算，通过对计算结果的后处理、流场分析，探寻高耐波性单体复合船型的快速性优化方法，最终是为提供几个较选的方案用于模型试验，基于CFD 技术的计算不能完全取代模型试验，但它可以为模型试验提供指导和辅助，使模型试验在船型优化、方案优选的过程中效率更高。
2.2 应用于舰船总体性能设计的舰船CFD技术的目标
应用服务于舰船总体性能设计的舰船CFD的远期目标是:特定外部环境作用下，桨、舵、鳍等(固定/活动)附件一定工作状态下，舰船自身操纵(耐波)运动中，船舶的航行性能问题的虚拟演示/数值预报。
从舰船总体性能的角度和从CFD 技术的角度，这一总目标可分解为下述诸多方面:
（1）迭模(水下)→考虑船波影响(水面)；
（2）简单流动→复杂流动(涡脱落、流动分离、空泡)；
（3）对象简单、常规、单一→复杂、特殊、多组件、动静组合；
（4）敞水→自航(船身/附体/桨/舵)；
（5）模型尺度(中雷诺数)→实尺度(高雷诺数)；
（6）单一的内或外部流动→内、外部流动组合一体化；
（7）定常现象→非定常现象；
（8）静水状态→外部环境(风、浪、流，窄、浅水域，多船体干扰)条件下的船体响应(船身受力、船身姿态、航行性能)；
（9）船体自身匀速直线运动→操纵运动(斜航、回转、漂移，顶风、停车、倒车、失速，系泊)→操纵性+耐波性。
发展中的CFD 在上述每一方面都经历了由简单阶段向复杂阶段的艰辛探索.对以上每方面应予分析已达到的程度和目前的欠缺，每方面都有需予研究的问题。而就CFD 的应用服务能力而言，经过如此梳理、分析，可以明确目前状况是:“→”左边的部分，基本已具备条件成为常规快速计算预报应用服务项目。“→”右边的部分，已有部分可发展成为日常应用服务项目;也有相当部分目前还在不断发展功能中;个别项目甚至尚有很大难度，短期内暂无望成为工程应用服务项目。目前，国内外应用CFD 技术开展较多的是规律趋势的定性研究及多方案优选。在目前快速性能已达到合理定量预报的基础上，对多设计方案进行优选计算，以减少实际试验方案量，是CFD 技术实用化的现实途径。
3 CFD 技术在高耐波性单体复合船型粘性数值计算中的应用
高耐波性单体复合船型是在常规单体船型首底部加装由一流线型半潜体和一对艏鳍组成的组合附体而形成的新船型，组合附体的主尺度、外形、安装位置对主船体的水动力影响很大，模型试验及实船试验均表明：加装组合附体后的复合船型耐波性能有大幅提高，而适当半潜体尺寸、外形、安装位置可以使复合船型的静水阻力与原船型相比基本不变。
加装组合附体后复合船型的湿表面积与原船相比有所增加，因此会相应的增大摩擦阻力，但是合理的半潜体形式及布局可形成有利干扰，减小总体的压阻力，从而达到使其总阻力与原船基本保持不变甚至减阻的目的，以确保复合船型具有优良的耐波性和快速性。鉴于CFD 技术在船舶快速性计算上已较为成熟，在新型高耐波性隐身单体复合船型研发的过程中，初步进行线型阻力优化设计的多方案优选，通过成熟的CFD 软件计算来完成，为进一步的深化试验研究提供依据。本文将采用FLUENT 软件对多方案的新型高耐波性隐身单体复合船型的静水阻力进行计算，以完成方案优选。
3.1 应用FLUENT 软件对单体复合船型的数值模拟过程及验证
要在工程上达到实用，就要保证CFD 的计算质量和计算可信度。一个完整的CFD程序验证流程如图1所示。所谓验证（Validation）就是要证明经过检验（Verification）的计算程序是否恰当的表达了物理现实，而计算程序的检验则是校核程序是否真正的代表了赖以建立的数学模型。验证包括了检验、计算结果与基准（benchmark）试验结果的比较。
图1 CFD 程序验证流程图
应用FLUENT 软件对单体复合船型进行粘性数值模拟，主要包括前处理、求解、后处理三部分，具体过程如下。
（1）三维实体模型的建立、流体域的划分
首先，根据型值表和型线图，在AUTO-CAD 中建出各个具有型值的站面，即生成各个面域，将其保存为(*.sat) 文件， 打开专用前处理器GAMBIT 导入已初步建好的船的各个剖面，将各个剖面合成为一个实体船型。如图2 所示。
图2 单体复合船型三维实体模型
建立三维模型后，针对船舶的主尺度选取适当的流体计算域，由于船舶运动时左右流场对称，因此选取半个船体的进行计算，流体域在船前方约一倍船长，向船侧及底部取一倍船长，向船后取四倍船长，整个流域取为四分之一圆柱体，计算流域划分如图3
图3 实际计算流体域
（2） 边界条件的设定
在前处理器GAMBIT 中有各种不同的边界条件可供选择，。本文的边界条件设立如图4，对入口处由于试验中给的都是来流速度，所以在这儿也把其设为速度入口（velocity inlet），它是专门用于不可压流的。对控制域出口处由于离船体尾部较远，其边界条件也未
定，我们假定出口处来流未受到船体的扰动影响，在流域足够大的情况下，这一假定对模拟船体附近真实流场没有太大的影响，所以设定为一般自由出流边界（outflow）。而对船体的对称面以及水线面都设定为对称边界（symmetry ）。对控制域的其他外边界处，即固壁，粘性流体的速度满足无滑移条件，也就是说相对于壁面速度为零，所以把这些壁面设定为无滑移的壁面（wall），它用于限定fluid 和solid 区域。图中内部边界，设定为interior 。我们在求解的时候主要是为了求解船体受力，所以把船体表面也设为壁面条件。
图4 边界条件设定图
（3）网格的划分
在形成封闭的流体域后就可以进行网格划分了，划分网格是前处理过程中最困难的部分，网格单元划分的好坏不仅决定了求解是否准确，还决定了求解时间的长短。在GAMBIT 中网格生成提供了多种技术，让用户可以使用非结构网格，包括三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混合型非结构网格。本文中先对整个流体域分区，然后对船体附近较复杂的区域采用非结构化网格，而对离船体较远，对计算影响不大的区域采用结构化的网格。这样不仅保证了计算精度的需要，也是网格数目大幅度下减，节约了计算时间。
由于船体表面有很多小面，应该先采用软件中的工具把船中体变化较小的部分曲面合成为较大的面，这样可以节约划分网格的难度，但在船尾和船首曲面曲率变化较大的地方应该保持原有小面。然后在船表面先画面网格，经过多次验证方能找出一个较为合适的网格尺度。在面网格的基础上就通过调整边界层以及自适应网格技术画出体网格。这部分是非常困难的地方，要经过多次不断的尝试才能找到合适的体网格，在本软件中有网格检查功能，对于建网格有一定的帮助。本文整个流域网格划分约为110 万个单元。如图5,图6 。
图5 对称面及船体上网格图
图6 整个流域网格划分图
3.2 计算设定及求解
（1）湍流模式的选取
FLUENT软件中有六种涡粘湍流模式，它们分别是：一方程的SA模型，二方程的标准k-ε模型、RNG k-ε、Realizable k-ε模型、标准的k-ω模型和SST k-ω模型。由于船舶绕流中存在大曲率弯曲壁面流动，船尾部流场复杂，因此湍流模式的选取对计算结果的精度又很大影响，文献中对上述六种湍流模式进行了对比研究，结果表明RNG k-ε和 SST kω模型比较适合于船舶粘性流场的数值模拟，本文对单体复合船型模型绕流场的数值模拟中拟采用RNG k-ε模型进行计算。
（2）自由面的处理
文献中对单体复合船型的静水阻力采用了叠模的方法即忽略了自由面的影响，计算得到的阻力高速时比试验小，但各方案阻力趋势与试验趋势一致，分析原因，复合船型加装的半潜体在船艏底部，且半潜体较细长，因此半潜体对主船体水下干扰较大，各方案半潜体尺寸的改变对船舶中后体表面压力影响较大，因此忽略了自由面影响对单体复合船型粘性绕流场计算，可以进行方案优选用。FLUENT 软件中对于自由液面提供有VOF 方法，但由于采用VOF 法，流体域增大，网格数目相应增加，且VOF 法计算收敛速度较慢，总的计算时间比叠模有大幅增加，因为本文的目的是要完成众多复合船型方案的阻力优选，鉴于硬件条件的限制，所以在初步的方案优选中对自由面采用对叠模的方法处理，考虑自由面的数值计算需进一步深化研究。
（3）求解器及求解控制参数的设定
本文计算是三维稳态问题，采用分离式求解器，采用SIMPLEC 算法进行压力场和速度场的耦合求解，对流项的离散采用二阶迎风格式。
（4）计算结果及与试验值的比较
通过对某深V 母船型船V0 和加半潜体方案v1 的1：25 模型采用上述求解方案分别计算在航速为1.543m/s，2.469m/s，3.086m/s，3.601m/s，5.144m/s 下的静水阻力值，计算结果与试验值比较如图7。
图7 粘性计算与试验比较曲线
由上图可知航速较低时计算值与试验值较接近，航速越高误差越大，分析原因是由于自由面采用叠模方法计算时，自由面被当作刚性壁面，而且船的浮态变化没有被考虑，而试验中的船模是自由模型既要兴起波浪，其航态也要发生变化，随着航态的增加，船的浮态变化就越大，对阻力的影响就越大。总体来说，理论计算与试验值趋势一致。
4 结论
本文应用商用CFD 软件FLUENT 对高耐波性单体复合船型静水阻力进行计算，并将计算结果与试验值比较，验证了通过采用FLUENT软件对各方案单体复合船型的静水阻力进行计算来完成船型阻力优化的可行性。结果表明Fluent 在船舶快速性性能优化设计过
程中的应用前景十分广阔。
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