1、CFD 在船舶行業中的發展和應用 1 基本概念CFD 是采用數值計算方法來描繪流體運動的一門技術，其所描繪的流體運動狀態有以下情況：傳熱、流動、化學反應過程及固、流體之間的相互作用等。理想流體在上述所提及的運動過程中會始終保持質量、動量和能量守恒，設定一個有限控制體并針對這個控制體分別建立動量、質量、和能量守恒的基本方程，運 用數值方法取得結果即是 CFD 要處理的主要問題。船舶 CFD 方法是應用理論流體力學或者數值流體力學方法，來計算和預報船舶水動力性能的一種方法，其通過采用模擬牛頓不可壓縮流體三維湍流運動的壓力場、速度的方式來進行計算和預報，計算和預報內容包含了對波形狀況、伴流、阻力等的

2、研究，以及對船舶直航性能、敞水性能、操縱性能以及推進性能等進行研究，以達到預測船舶性能、優化船舶設計方案和對船舶周圍流場現象及理論 進行分析研究的目的。2 CFD 技術的發展歷程船舶 CFD 的發展歷程主要經歷了三個階段，第一個階段是船舶 CFD 初始發展階段，在上世紀七十年代末，英國帝國科技大學的博士生 Abdelmeguid A.M 在他的畢業論文里開創性的提1 / 6出了關于船舶流動的數值計算方法，他使用的方法來自于傳熱問 題的計算技術。第二個階段是由 1985 年到 1993 年，因為及早確定了船舶 CFD 的發展方向和目標，所以船舶 CFD 的理論研究向著成熟化和多元化前進。最先是

3、L.Larsson 等提出來的適用范圍較大的數值貼體網格生成方法，接下來是有限解析格式方法的應用，吸引了當時很多研究人員的目光。在這其中應用比較成功的是格配置方法，并且由該方法導出了根據該速度配置的相融解法。 第三個階段是由 1993 年起到現在，隨著計算機技術的飛速發展和計算數學理論的不斷完善，計算方法也呈現出了跨越式的發展， 很多優秀的 CFD 程序得到了擴散，很多商用 CFD 軟件也逐漸加入了該市場領域，所以很難分辨出哪種方法或者哪種軟件的計算 結果是最好的。3 目前 CFD 的發展現狀及特點（1）代數方程求解法。由于偏微分方程是控制方程，它的求解過程必然會得到大線性代數方程組的求解，增

4、加迭代收斂的速度和減少內存，使其滿足精度要求，是該算法的主要研究目標。 （2） 計算網格自動產生法。網格自動產生的研究工作主要集中于對復雜幾何形狀的描述。（3）控制方程離散法。主要方法有差分法、有限體積法和 有限元法。（4）湍流模擬方法。對于例如像船舶后體部分流動模擬的2 / 6大雷諾數流場而言，最為重要的是湍流控制方程和湍流模式。直 接數值求解法（DNM），平均雷諾 N-S 方程法（RANS），以及大 渦模擬法（DVS）是目前比較通行的主要算法。（5）不可壓縮流體的算法。當前，壓力泊-桑算法及虛擬不可壓縮算法引起了很多研究人員的注意。因為前者的壓力場直接應用方程就可以求解；而后者連續方程中的

5、壓力項被引入了虛擬 時間的開方，用以達到恢復雙曲線控制方程的目的。船舶 CFD 亦有著其自身獨有的特性，其如下所示：（1）自由表面：船舶常處于空氣和水這兩類流體中，但是由于空氣介質的粘性比水介質約小兩個量級，導致空氣介質的自由表面粘性應力非常小，常?？梢院雎圆挥?，所以這種現象非常 接近于勢流假設。（2）船型復雜化：船舶主要是依靠靜浮力來支撐船體的。不僅周圍流體流動現象較為復雜多變，而且不能有任何的簡化處 理，因此船型的數學表達方式都是相當的復雜。（3）全尺度模型：CFD 采用 1：1 全尺度的幾何模型，在真實幾何尺度上進行求解計算，避免了模型按比例縮小實驗所帶來 的尺度效應問題。（4）高精度要

6、求：由于船體附近具有明顯的渦旋狀結構特征，附近梯度大，這就要求對船體尺度本身和梯度都要能夠做到 精確模擬，因此船舶 CFD 有著很高的精度要求。3 / 6（5）不可壓縮約束：我們考慮到質量守恒方程成了約束條件，那么不存在壓力項的發展方程，就需要特設的技術來進行求 解。（6）系統化：針對船體、螺旋槳、舵及附體等，CFD 可以總體上把握整個系統的整體特性，在局部上把握各組件自身的整體特性和之間的相互干擾及影響作用，避免了單獨的進行各組件 的水動力性能研究。（7）驗證：模型實驗，特別是模型的流場實驗結果與其實船的測量結果是否對應是 CFD 計算結果正確與否的唯一驗證標 準。和傳統的模型試驗相比，船舶

7、 CFD 技術更加適用于開發新船型和特殊船型，并具有明顯優勢。值得我們注意的是基于 CFD技術的計算和設計不能完全取代模型試驗，其結果必須得到實驗 驗證，但船舶 CFD 技術可以為模型試驗提供指導和幫助，使模 型試驗在船型優化和方案優選的過程中效率更高。4 CFD 的商業化（1）實用性能：到現在為止，船舶 CFD 軟件的功能包括有船舶阻力計算、船舶操縱性能計算、螺旋槳敞水性能計算和船 - 槳配合計算等等，用以滿足設計要求。（2）可靠性能：在其擁有足夠精度的前提下，CFD 軟件才 可以對船舶水動力性能進行計算和預報。4 / 6（3）有效性能：CFD 軟件可以在計算機系統和特定的 CAD環境下簡單

8、的生成、處理數據文件，可以通過計算機工作站來運 行 CFD 軟件。（4）通用性能：確保同 CAD 的再聯接的必不可少的措施有：一是具備與 CAD 的良好的有效接口；二是保證 CFD 軟件運算結 果具有相對應的后處理措施。（5）可維護性能：CFD 軟件的維護不應該依賴于用戶，應具有自身維護的能力，并且應該具有文件數據保護、法規支持和 驗證等的能力。（6）便攜性能：CFD 軟件不受計算機機型的限制，可以自 由選擇合適的機器內存和 CPU，方便可攜帶。5 CFD 在船舶行業的發展目標和方向目前國內 CFD 研究及發展在理論研究方面與國外研究進展狀況相當，如湍流 DNS 數值模擬技術，非定常動態數值模擬技術研發等。但 CFD 技術的軟件化程度和商業化程度，以及在工程應用的廣度和深度方面都與歐美國家存在較大的距離，特別是 船舶工程領域中 CFD 技術的應用還遠遠不夠，如果不能積極采取相應措施，這一差距不但不能縮小、消除，甚至還有繼續擴大的可能。這種狀況勢必會對我國造船行業的創新能力和國際競爭 力造成嚴重影響。當務之急，必須加快突破基于 CFD 的船舶設計中的各項關鍵技術，逐漸完備模型與實船相關實驗結果的數據5 / 6庫內容，加速完善數學模型和方程，改良數值計算方法，擴大 CFD應用的范圍，增強實驗驗證的手段和方式，來達到與 CAD 的有效結合。盡快建立基于 CFD 的船舶設計框架，推