基于PERA SIM Fluid的船体静水阻力仿真（内含免费培训）

本文基于安世亚太自主研发的PERA SIM Fluid流体仿真软件，以船体为研究对象，采用VOF多相流模型，计算了其在静水中的行驶阻力，获得了船行波的变化特性以及阻力数值，并与成熟的CFD软件对比，验证了国产仿真软件PERA SIM Fluid的精确性和可靠性。

关键词：船舶，VOF，CFD，PERA SIM Fluid

船舶在航行过程中会受到流体（水和空气）阻止它前进的力，这种与船体运动相反的作用力称为船的阻力，为了使船舶保持一定的航速，必须对船舶提供推力以克服所受的阻力。

船体周围的流动情况是相当复杂的，但主要有以下三种现象：

首先，船体在运动过程中兴起波浪，由于波浪的产生，改变了船体表面的压力分布情况。船首的波峰使首部压力增加，而船尾的波谷使尾部压力降低，于是产生首尾流动压力差。这种由兴波引起的压力分布的改变所产生的阻力称为兴波阻力。

其次，当船体运动时，由于水的粘性，在船体周围形成边界层，从而使船体运动过程中受到粘性切应力作用，亦即船体表面产生了摩擦力，它在运动方向的合力便是船体摩擦阻力。

另外，在船体曲度骤变处，特别是较丰满船的尾部，常会产生漩涡。产生漩涡的根本原因也是水具有粘性，漩涡处的水压力下降，从而改变了沿船体表面的压力分布情况。这种由粘性引起船体前后压力不平衡而产生的阻力称为粘压阻力。

因此按产生阻力的物理现象分类，船体总阻力由兴波阻力、摩擦阻力和粘压阻力三者组成。

图1 船体阻力

船舶阻力与造船工程实际密切联系，对设计性能良好的船舶具有重要意义，采用CFD方法模拟船体周围的流场，得出阻力数值和流场的流动细节，能够进行实尺度模拟，省时省力。其研究的主要问题包括：

采用PERA SIM Fluid软件，利用VOF多相流模型，建立了船体阻力仿真模型，获得了船体周围详细的流场细节和阻力数值。

PERA SIM Fluid提供了全面的后处理功能，可以提取点、线、切割面、切割体、流线、等值面、动画等结果，也具有创建图表、自定义函数等功能创建针对特定问题的物理量。

图16 船体近场流线

为了验证PERA SIM Fluid计算结果的准确性，使用成熟商用CFD软件、相同的工况条件进行了对比计算。

1）开始阶段

图17 船首和船尾自由液面分布

对比船首和船尾水相体积分数分布，可以看到PERA SIM Fluid对液面的捕捉具有较高的精度。

图18 自由液面高度和液面速度分布

选取VOF=0.5的等值面，与国外软件相比，液面高度和速度分布也一致，随着船的航行，船行波开始形成。

2）稳定阶段

达到稳定阶段后，波形趋于稳定，船首和船尾的兴波作用最强，并且兴波不断扩散形成近扇形区域。

图19 自由液面分布

图20 自由液面高度

图21 自由液面速度

对稳定阶段的阻力值进行平均，获得船体的总阻力并与国外软件进行了对比，偏差为5.72%。

表1 阻力值对比

利用PERA SIM Fluid软件的VOF模型，对船体的兴波特性和行驶阻力进行了仿真，实现了从几何模型处理、网格划分、物理模型和边界条件设定、求解及计算结果处理的完整分析流程，验证了软件对多相流问题的解算能力；与成熟CFD软件进行了结果对比，流场分布趋势保持一致，总阻力偏差为5.72%，对于复杂模型的复杂物理场，具有较高的计算准确性。