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1、CFD 在船舶行业中的发展和应用 1 基本概念CFD 是采用数值计算方法来描绘流体运动的一门技术，其所描绘的流体运动状态有以下情况：传热、流动、化学反应过程及固、流体之间的相互作用等。理想流体在上述所提及的运动过程中会始终保持质量、动量和能量守恒，设定一个有限控制体并针对这个控制体分别建立动量、质量、和能量守恒的基本方程，运 用数值方法取得结果即是 CFD 要处理的主要问题。船舶 CFD 方法是应用理论流体力学或者数值流体力学方法，来计算和预报船舶水动力性能的一种方法，其通过采用模拟牛顿不可压缩流体三维湍流运动的压力场、速度的方式来进行计算和预报，计算和预报内容包含了对波形状况、伴流、阻力等的
2、研究，以及对船舶直航性能、敞水性能、操纵性能以及推进性能等进行研究，以达到预测船舶性能、优化船舶设计方案和对船舶周围流场现象及理论 进行分析研究的目的。2 CFD 技术的发展历程船舶 CFD 的发展历程主要经历了三个阶段，第一个阶段是船舶 CFD 初始发展阶段，在上世纪七十年代末，英国帝国科技大学的博士生 Abdelmeguid A.M 在他的毕业论文里开创性的提1 / 6出了关于船舶流动的数值计算方法，他使用的方法来自于传热问 题的计算技术。第二个阶段是由 1985 年到 1993 年，因为及早确定了船舶 CFD 的发展方向和目标，所以船舶 CFD 的理论研究向着成熟化和多元化前进。最先是
3、L.Larsson 等提出来的适用范围较大的数值贴体网格生成方法，接下来是有限解析格式方法的应用，吸引了当时很多研究人员的目光。在这其中应用比较成功的是格配置方法，并且由该方法导出了根据该速度配置的相融解法。 第三个阶段是由 1993 年起到现在，随着计算机技术的飞速发展和计算数学理论的不断完善，计算方法也呈现出了跨越式的发展， 很多优秀的 CFD 程序得到了扩散，很多商用 CFD 软件也逐渐加入了该市场领域，所以很难分辨出哪种方法或者哪种软件的计算 结果是最好的。3 目前 CFD 的发展现状及特点（1）代数方程求解法。由于偏微分方程是控制方程，它的求解过程必然会得到大线性代数方程组的求解，增
4、加迭代收敛的速度和减少内存，使其满足精度要求，是该算法的主要研究目标。 （2） 计算网格自动产生法。网格自动产生的研究工作主要集中于对复杂几何形状的描述。（3）控制方程离散法。主要方法有差分法、有限体积法和 有限元法。（4）湍流模拟方法。对于例如像船舶后体部分流动模拟的2 / 6大雷诺数流场而言，最为重要的是湍流控制方程和湍流模式。直 接数值求解法（DNM），平均雷诺 N-S 方程法（RANS），以及大 涡模拟法（DVS）是目前比较通行的主要算法。（5）不可压缩流体的算法。当前，压力泊-桑算法及虚拟不可压缩算法引起了很多研究人员的注意。因为前者的压力场直接应用方程就可以求解；而后者连续方程中的
5、压力项被引入了虚拟 时间的开方，用以达到恢复双曲线控制方程的目的。船舶 CFD 亦有着其自身独有的特性，其如下所示：（1）自由表面：船舶常处于空气和水这两类流体中，但是由于空气介质的粘性比水介质约小两个量级，导致空气介质的自由表面粘性应力非常小，常常可以忽略不计，所以这种现象非常 接近于势流假设。（2）船型复杂化：船舶主要是依靠静浮力来支撑船体的。不仅周围流体流动现象较为复杂多变，而且不能有任何的简化处 理，因此船型的数学表达方式都是相当的复杂。（3）全尺度模型：CFD 采用 1：1 全尺度的几何模型，在真实几何尺度上进行求解计算，避免了模型按比例缩小实验所带来 的尺度效应问题。（4）高精度要
6、求：由于船体附近具有明显的涡旋状结构特征，附近梯度大，这就要求对船体尺度本身和梯度都要能够做到 精确模拟，因此船舶 CFD 有着很高的精度要求。3 / 6（5）不可压缩约束：我们考虑到质量守恒方程成了约束条件，那么不存在压力项的发展方程，就需要特设的技术来进行求 解。（6）系统化：针对船体、螺旋桨、舵及附体等，CFD 可以总体上把握整个系统的整体特性，在局部上把握各组件自身的整体特性和之间的相互干扰及影响作用，避免了单独的进行各组件 的水动力性能研究。（7）验证：模型实验，特别是模型的流场实验结果与其实船的测量结果是否对应是 CFD 计算结果正确与否的唯一验证标 准。和传统的模型试验相比，船舶
7、 CFD 技术更加适用于开发新船型和特殊船型，并具有明显优势。值得我们注意的是基于 CFD技术的计算和设计不能完全取代模型试验，其结果必须得到实验 验证，但船舶 CFD 技术可以为模型试验提供指导和帮助，使模 型试验在船型优化和方案优选的过程中效率更高。4 CFD 的商业化（1）实用性能：到现在为止，船舶 CFD 软件的功能包括有船舶阻力计算、船舶操纵性能计算、螺旋桨敞水性能计算和船 - 桨配合计算等等，用以满足设计要求。（2）可靠性能：在其拥有足够精度的前提下，CFD 软件才 可以对船舶水动力性能进行计算和预报。4 / 6（3）有效性能：CFD 软件可以在计算机系统和特定的 CAD环境下简单
8、的生成、处理数据文件，可以通过计算机工作站来运 行 CFD 软件。（4）通用性能：确保同 CAD 的再联接的必不可少的措施有：一是具备与 CAD 的良好的有效接口；二是保证 CFD 软件运算结 果具有相对应的后处理措施。（5）可维护性能：CFD 软件的维护不应该依赖于用户，应具有自身维护的能力，并且应该具有文件数据保护、法规支持和 验证等的能力。（6）便携性能：CFD 软件不受计算机机型的限制，可以自 由选择合适的机器内存和 CPU，方便可携带。5 CFD 在船舶行业的发展目标和方向目前国内 CFD 研究及发展在理论研究方面与国外研究进展状况相当，如湍流 DNS 数值模拟技术，非定常动态数值模
9、拟技术研发等。但 CFD 技术的软件化程度和商业化程度，以及在工程应用的广度和深度方面都与欧美国家存在较大的距离，特别是 船舶工程领域中 CFD 技术的应用还远远不够，如果不能积极采取相应措施，这一差距不但不能缩小、消除，甚至还有继续扩大的可能。这种状况势必会对我国造船行业的创新能力和国际竞争 力造成严重影响。当务之急，必须加快突破基于 CFD 的船舶设计中的各项关键技术，逐渐完备模型与实船相关实验结果的数据5 / 6库内容，加速完善数学模型和方程，改良数值计算方法，扩大 CFD应用的范围，增强实验验证的手段和方式，来达到与 CAD 的有效结合。尽快建立基于 CFD 的船舶设计框架，推进已有的 CFD技术在船舶实际设计中的应用发展，建立统一的质量标准体系，使我们的船舶工程设计从传统经验模式转向基于先进数值评估理论的知识化模式，大幅度的提升我们船舶设计的创新能力，降 低我们船舶设计优化周期和成本，这是我们当前和今后船舶 CFD 发展的主要任务和主要目标。6 / 6
