目前,船舶阻力的研究方法可以简单归纳为三种:理论方法,试验方法和数值模拟。
理论方法
理论方法是根据观察实际现象,进行力学抽象,从而利用流体力学的基本理论和数学工具来分析、研究和计算船舶阻力和推进问题。这种方法近年来虽有很大的进展,但目前尚未被普遍用到船舶设计和制造中去,原因在于:一是船体形状及其运动情况极为复杂;二是为简化分析起见,有的问题引进了一些近似假定,但与实际情况有一定出入,因此所得的结果准确性较差。
应该指出,理论研究方法虽然目前在定量方面存在差距,但常可用来解释现象,指出研究方向。近年来流体力学、数学,特别是计算技术的发展,有力地推动了理论研究工作的进一步开展。通过理论研究可发现试验中难以发现的问题,可为旧船型的性能改进和新船型开发等指明方向。因而理论分析法仍不失为重要的研究手段之一。
试验方法
试验方法包括船模试验和实船试验。船模试验是通过一定缩尺比的船模在船模试验水池中运动来模拟实船运动,并在试验中观察船体周围的流动现象,测量有关数据,探讨有关机理等。因船模试验中流动现象直观、清晰,且可得到较准确的结果,故是船舶阻力研究中不可缺少的方法。应用船模试验来研究船舶快速性的优点在于:它不但简单、经济,而且可以为造船工程提供定量数据。与实船实验相比,船模试验不受外界环境的限制,花费的人力、物力相对少得多,因此是主要的试验方法。实际上任何船舶在进行设计时,即使在初步设计阶段,总要利用这方面的系统研究所取得的结果。船模试验目前在国内外应用得较为广泛,一些较重要的船舶几乎没有未作船模试验而就进行建造的,很多优良船型几乎都是通过大量模型试验而得到的。
但是,船模试验受到试验条件、试验设备等限制,同时船模和实船有尺度上的差异,因此船模试验中难以保证船模和实船周围的流动完全相似,即船模试验不能完全取代实船试验。因此实船试验也是船舶阻力研究中不可缺少的方法。
实船试验的目的是鉴定船舶的各种性能是否达到设计要求,并验证根据船模试验结果所预测的实船航行情况的准确性,也就是研究船模与实船之间的相关问题。但因实船试验在经济上花费较大,所以除了新船进行例行试航外,通常很少进行。
数值模拟
随着计算流体力学的不断完善,计算机软硬件技术的不断提高,各种新的计算方法的不断出现和已有计算方法的不断改进(如有限体积法、差分法等),现在有更多的问题可以获得有实用价值的数值解,数值模拟已成为船舶阻力研究的不可缺少的方法。目前还出现了若干可用于船体周围流场模拟和阻力计算的商业软件(如Shipflow、FLUENT、CFX等)。可以相信,随着数值模拟的不断完善,对船体周围流动模拟的不断细化和对流动机理研究的不断深入,数值模拟会在船舶阻力研究中发挥越来越大的作用。
在船舶阻力研究中上述三种方法是缺一不可,相辅相成的。如果没有理论研究来建立物理模型,就无法进行数值模拟;没有试验研究来验证理论计算结果,就无法证明理论研究的正确性。同时,理论研究和数值模拟可为试验研究提供理论指导。在船模试验前,可以预先用数值模拟对试验中大量的重复性的试验进行优化研究,减少重复试验,节省试验中的人力和物力。同时,通过数值模拟可以发现试验中难以发现的现象,可以对有危险的无法进行试验的现象进行模拟等。正是通过这三种方法的相辅相成,才推动了船舶阻力研究的不断深入。