船舶CFD是伴随着电子计算机的高速发展,与船舶流体力学相结合的数值模拟产物。船舶CFD的应用能提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本,因而得到了普遍的重视,是国际船舶界十分活跃的前沿研究课题。

早在1962年,Hess和Smith发表了用叠模绕流的方法求解任意三维无升力物体势流的论文,这标志着基于计算机的流体力学数值模拟的开始。从上个世纪六十年代后期开始,研究人员开始关注于计算黏性流的边界层方法,发展了二维边界层方法,三维薄边界层理论。1980年,在Gothenburg召开了第一次船舶黏性流动数值预报国际研讨会,这次会议对当时船舶黏性流动计算的最新方法进行了总结,由SSPA和ITTC阻力委员会组织。报告中的大多数方法能够在船体的大部分区域(前2/3船长)具有满足工程要求的精度,但是在船舶尾部边界层较厚时,边界层方法失效。

70年代后期,Spalding就发展了基于雷诺平均的N-S(RANS)方程,经过上世纪80年代的发展,RANS方法逐渐被大家接受并得到迅速发展。有关船舶黏性CFD的研究起初局限于不含自由面的无限介质中的船舶绕流,从1982年十四届ONR开始,船尾黏性流场成为国际船舶力学界研究热点之一,大多数是直接求解RANS方程,开始有不少数学家曾使用求解RANS方程的简化形式,后来很快统一到求解完整RANS方程上来。到了上世纪90年代,RANS方法已发展得较为成熟,在预报船舶尾部流场上得到了较大改善。经过1990,1994两次的船舶黏性流动数值预报国际研讨会,成功的解决了用RANS方法并结合改进的湍流模型来解决船舶尾部伴流场运动的问题。并在这类问题的结果中发现,沿船体表面的波高已能与试验测量值吻合得较好,但离船体较远处,往往一致地偏低。当然这既有Fn的影响,也与数值黏性存在造成波浪衰减有关。但是,这时已经可以说RANS方法在预报船舶黏性流场方面取得了突破。

在此之前,在水面船流场研究中,黏性和自由面同时考虑的工作很少。从1994年CFD Workshop Tokyo前后开始,在RANS方法中逐渐加进了自由面处理的功能。在那次会议上,有十多家单位在RANS方法中加进了黏性和自由面同时考虑的计算,因此这次会议被认为是RANS方法在自由面问题上取得突破的标志。在那次会议上,大部分RANS方法计算了傅汝德数为0.316时系列60 CB=0.6船型的波形,并且有研究者能较好地计算出离船体比较近处(y/L=0.2)的波形。但是,由于在自由面上的网格分辨率过低,在离开船体较远处,波形呈现比实际严重的衰减。在傅汝德数为0.16时,RANS方法都不能很好地预报自由面波形。在此后的几年中,新的有关带自由面黏性流动的模拟方法也不断涌现,到目前为止还在不断地完善和发展中。

随着船舶CFD的水平发展到了一定的高度,研究的船体外形越来越复杂,同时考虑船体、附体、螺旋桨,及同时计及黏性和自由面效应逐渐成为可能。当前船舶CFD正朝实用化的方向发展,并将逐渐成为实验研究的一种辅助手段,并且也越来越多地介入到设计中去。正是由于CFD越来越多地介入到工程实际中,关于船舶计算流体力学中误差和不确定度评估的讨论逐渐引起人们的关注,人们迫切需要对数值模拟的精度作定量评估。2000年在Gothenburg举行了第四次船舶流体力学数值计算国际研讨会,会议的主题就是对当前广泛使用的船舶CFD方法进行不确定度评估,这次会议和以往不同的就是采用现代船型作为新的比较模型,2000年Gothenburg会议标志着船舶CFD向实用化方向迈出了重要的一步。

船舶流体力学数值计算国际研讨会的目的是为了给船舶流体力学工作者提供一个更好的交流平台,获得更好的用数值方法计算绕船体的黏性流方法,加速推进这方面的研究,这也是从以前的工作会议论文集1980,1990,1994和2000中继承下来的。通过对以前会议的总结,哥德堡2000会议做出了一系列很重要的决定,包括确定这类会议的定期举行和提出了一些新的思路供研究者进行参考:要采用与试验相结合研究的形式;要把湍流量和表面流线、压力分布联系起来详细分析;船体螺旋桨相互作用,漂移角效果和航行速度衍射问题应该专门分析;对于CFD方法要注意验证和确认的标准方法。

工作会议的目的是为了给船舶CFD组织提供一个机会来解决上面这些问题。船体形式同哥德堡2000中使用相同的形式,但是,在反映对CFD的需求方面,除了传统的阻力和推进计算以外,需要将操纵(倾斜的运动)和耐波(衍射)模拟做为新的测试情况考虑,阻力预报中要考虑加入吃水和下沉的情况。在一些问题上通过拖曳水池试验来提供验证分析,包含严格的不确定度分析。针对验证和确认过程的建立,采用不同的网格进行测试。

在2000年之后,船舶计算流体力学在实用化方面发展更加迅速,特别是该研究领域的发达国家。在相继召开的二十三届ONR和二十四届ONR,以及第八届数值船舶流体力学国际研讨会(the 8th International Conference On Numerical Ship Hydrodynamics)上,不断有对复杂外形物体(包括附体、螺旋桨、舵等)流场模拟、实船雷诺数计算和并行运算的应用等方面的研究论文出现。

当前处理黏性流动的数值方法主要有三类,直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)和雷诺平均(RANS)。直接数值模拟采用的控制方程是N-S方程,它可以解决流场中各种尺度的流动。DNS最大的好处是无需对湍流流动作任何简化或近似,理论上可以得到相对准确的计算结果。但是,它对内存空间及计算速度的要求非常高,目前还无法用于真正意义上的工程计算。LES方法的基本思想可以概括为:用瞬时的Navier-Stokes方程直接模拟湍流中的大尺度涡,不直接模拟小尺度涡,而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。总体而言,LES方法对计算内存及CPU速度的要求仍然较高,但低于DNS方法。RANS方程代表了平均运动的输运,所有尺度的湍流都需要模型化,主要采用湍流模型如S-A模型、k-ε模型、k-ω模型以及RSM模型。RANS方法大大地减少了计算所需要的资源,因而,在工程实际应用中它占了主导地位。Reynolds平均法的核心是不直接求解瞬时的Navier-Stokes方程,而是想办法求解时均化的Reynolds方程。这样,不仅可以避免DNS方法的计算量大的问题,而且对工程实际应用可以取得很好的效果。Reynolds平均法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法。

计算流体力学在船舶流体力学领域中应用的地位正在不断上升,作用正日益增大。船舶CFD技术的长远目标,是代替船模试验,为船舶水动力性能设计提供一7个全雷诺数的数值模拟工具。它不仅可以预报各类船舶在静水中航行时的阻力,以及与推进装置结合起来的推进性能,它还可以根据风、浪、流等环境载荷,预报实尺度船舶在海浪上的航行性能,包括快速性与波浪失速。随着计算机与信息处理技术的发展、湍流理论的突破及非线性波浪数值模拟技术的进展,这个现今还只是梦想的目标相信会在不远的将来得以实现。

舰船CFD研究具有重要意义。首先,船舶周围流场信息对船型设计是非常重的,它对降低船舶阻力、船型的优化和改进设计具有重要的价值。过去十年间,计算机技术的发展成了改进船舶流场数值预报精度的重要催化剂,不断增长的计算机能力使大规模网格的RANS计算成为常规手段,数值计算已经被广泛地应用到了船型设计中去。如Gorski等(2002)使用了RANS方法计算船舶黏性流场,用于新型舰船的设计和分析,其中数值计算提供了各种球艏变化的流场信息以及螺旋桨进流的流动信息,为设计提供了指导。Min等(2002)将船舶CFD应用于船型的初步设计。C.Yang等(2000)将CFD实际应用到消波多体船的设计中。

近年来,在模型尺度和实尺度雷诺数下,伴流场的数值预报精度也已取得非常大的进步,由于预报精度的提高和计算时间的减少,这些数值方法将成为获取船后尾流场信息的有效工具。在螺旋桨设计中,综合考虑船体形状和螺旋桨变得越来越重要。所以预先知道船尾流场特征,特别是实尺度雷诺数下的船尾流场特征,对设计合适的螺旋桨是特别需要的。黏性数值计算可以在这方面发挥巨大作用。近年来,对实船雷诺数流场计算的尝试一直没有间断过,如Deng和Visonneau(2000)、Abdel-Maksoud等(2000)、Choi等(2003)也相继进行过实尺度水面船流场研究。不过由于最近计算机硬件改善以及并行计算的应用,使得实船雷诺数的流场数值模拟比以往任何时候要条件成熟。

由于历史的原因,我国在船舶CFD方面起步较晚、发展较慢。到上世纪末,我国船舶CFD的发展已明显滞后于国际先进水平,这和我国致力于成为世界第一造船大国的目标是格格不入的。因此,找出不足和差距并加以突破,使我国船舶CFD发展跟上世界潮流,更好地为我国造船事业服务,这是每个船舶CFD研究人员的心愿。





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