基于STAR-CCM+的船舶阻力预测

背景及意义

船舶阻力预测是船舶设计的重要环节，当前实船阻力计算与预测主要依靠船模试验，该方法试验周期较长，试验成本高昂；伴随计算机技术的快速发展，以流体力学为基础的CFD方法则更加灵活和经济。本文将基于star ccm+对某型KCS船舶进行阻力预测，为船舶设计与改型提供强有力的参考。

一、案例介绍

1.star ccm+运行外部硬件环境

名称	CPU	内存	硬盘
要求	四核及以上	32G及以上	剩余30G及以上

2.模型介绍

KCS是集装箱船中具有代表性的船型，模拟船型几何外形如上图所示，其尺寸如下：

	船长Lpp（m）	型宽B（m）	型深D（m）	吃水d（m）
实船	230.0	32.2	19.0	10.8
船模	7.278	1.0190	0.6013	0.3418

二、仿真计算过程

1.导入船型几何体，生成网格

2.物理和数值设置

水面船在航行过程中处于两种流体中，分别是水和空气，分界面是自由液面，在设定物理模型过程中自由液面默认为船体水线面。物理和数值设置过程如下：

选择物理模型—定义欧拉相—定义VOF波—设置初始条件—阻尼波反射—设置边界条件—定义动态流体固体相互作用（DFBI）—设置求解器参数和停止条件

3.可视化和数据分析

在运行模拟之前，需要创建多个绘图和图形以可视化结果。主要包括：可视化自由水面的传播、可视化波型、阻力数据监视和绘图以及纵倾和升沉数据监视和绘图。

三、结果分析

在模拟运行之前，创建每个场景来关注求解的进展。如图所示，在对称平面上显示了模拟结束时围绕船体的自由水面细节图：

如图所示，显示了模拟结束时围绕船体的波型：

如图所示是随时间变化的剪切和压差阻力绘图：

如图所示是随时间变化的总阻力绘图：

如图所示是作用在船身上Z方向的力：

如图所示是作用在船身上围绕Y轴的力矩：

总结

通过数值模拟计算，我们得到了在某一特定的航速下改船型的船舶阻力情况，仿真模拟结果与船舶试验结果表现出相同的趋势，且误差在可接受的范围内。该试验结果表明，基于Star-CCM+的船舶阻力预测比较可靠，能够为船舶设计与改型提供高效有力的参考。除此之外，将仿真结果以cgns的文件形式导入FastCAE VR后处理模块，可进行VR沉浸式漫游体验。