船舶cfd的发展和应用

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1、船舶CFD的发展和应用1引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，由于自由而的存在、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Y描述流动过程的微分方程式也不可能得到解析解，冈此，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町少的手段。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

2、报手段的引入己十分必要。自1821年开始，纳维(Navier)等人考虑将分子问的作用力加入到欧拉方程中。1845年，斯托克斯(Stokes)将这个分子间的作用力用粘性系数u表示，并正式完成了Navier-Stokes方程，最终建立了粘性流体力学的基本方程，奠定了近代粘性流体力学的基础。但是，由于方程式的非线性，解此方程，在数学上会碰到很大的困难瞳3。随着人们对流动的深入了解、计算方法的发展及计算机水Y•的提高，求解粘性流动问题经W了由简到繁，由易到难的过程。计算流体动力学兴起于20世纪70牢代。当时Fromm和Harlow发表了一篇名为“流体力学屮的计算机实验”的文章，法国人Maca

3、gno则发表丫一篇名为“流体力学模拟的某些新的方面”的文章。随后几年里陆续出现了多种专门研究计算流体动力学及计算方法的杂志。从此计算流体动力学进入了快速发展阶段。在船舶性能研究领域，船舶CFD(ShipCED,或者NavalHydrodynamics)与计算流体动力学几乎同时起步，它以计算机为工具，通过数值求解船舶绕流场的控制方程，模拟船体运动，得到流场屮的速度场和压力场，实现对船体水动力性能的研究。第一篇关于船体粘性绕流数值计算的文章是Spalding教授的博士研允生Abdelmeguid的毕业论文一Amethodofpredictingthree—dimensionalturbu

4、lentflowsaroundship’shulloAbdelmeguid的方法来自传热问题的计算技术，在船舶性能研究领域也获得了普遍;K•识。在数值计算领域里，Spalding、Launder、Patanker和Abdelmeguid等研究人员的工作为船舶CFD奠定了基础，成为船舶CFD研究工作的先驱者。2国内外CFD发展现状近年来，随着计算机技术和计算技术的突飞猛进，计算流体力学(CFD)也得到丫长足的发展。基于CFD软件船舶水动力学方面的数值模拟，因为具有费用低、无触点流场测量、无比尺效应、能消除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响、可获得较为详细的流场信息等优点而广

5、受关注，应用范围越来越广。随着Spalding发展了基于RANS的数值计算方法，船舶CFD方法在船舶设计中开始实际使用。当时W际上这方面的研究队伍主要有：瑞典哥德堡科技大学的Larsson,美国衣阿华大学的Patel和H木东京大学的Miyata等教授及其领导的科研小组。到20世纪八十年代末、九十年代初，美国、德国、法国、意大利、日本、荷兰等岡家纷纷成立了一些研究小组，开始形成群雄并起的局面，船舶CFD的发展和应用1引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，由于自由而的存在

6、、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Y描述流动过程的微分方程式也不可能得到解析解，冈此，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町少的手段。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。自1821年开始，纳维(Navier)等人考虑将分子问的作用力加入到欧拉方程中。1845年，斯托克斯(Stokes)将这个分子间的作用力用粘性系数u表示，并正式完成了Nav

7、ier-Stokes方程，最终建立了粘性流体力学的基本方程，奠定了近代粘性流体力学的基础。但是，由于方程式的非线性，解此方程，在数学上会碰到很大的困难瞳3。随着人们对流动的深入了解、计算方法的发展及计算机水Y•的提高，求解粘性流动问题经W了由简到繁，由易到难的过程。计算流体动力学兴起于20世纪70牢代。当时Fromm和Harlow发表了一篇名为“流体力学屮的计算机实验”的文章，法国人Macagno则发表丫一篇名为“流体力学模拟的某些新的方面”的文章。随后几