CFD 技术在船舶领域的应用引言在船舶阻力性能研究领域，传统的确定船舶阻力的方法有船模试 验的方法、理论计算方法和波形分析方法与传统理论计算方法和波 型分析方法相比，新兴的 CFD 方法处理带自由表面的流动问题已经 达到了一定的精度，并且这种方法克服了将船体粘性流场与自由波场 分开研究的特点，将船体阻力作为一个整体，从而使船舶 CFD 的数 值计算结果和水池船模拖曳试验的目标相一致，大大增强了数值计算 结果与试验数据的可比性，同时也极大的减少的船舶设计中的工作 量，提高了效率二 、 关键字CFD 技术 船舶阻力 船舶优化 应用三 、 计算流体力学的起源计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）是通过计算机 数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的 系统所做的分析他作为流体力学的一个分支产生于第二次世界大战 前后，在 20 世纪 60 年代左右逐渐形成了一门独立的学科总的来说 随着计算机技术及数值计算方法的发展，我们可以将其划分为三个阶 段：第一，初始阶段（1965〜1974）这期间的主要研究内容是解决计 算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型方程（湍流、流变、传 热、辐射、气体－颗粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分 格式、代数方程求解等）、网格划分、程序编写与实现等，并就数值 结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值 预测方法的可靠性、精确性及影响规律。
第二，工业应用阶段（1975〜1984年）随着数值预测、原理、方 法的不断完善，关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设 计中得到应用，因此，该阶段的主要研究内容是探讨 CFD 在解决实际 工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用第三，快速发展阶段（1984至今）CFD在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可四 、 计算流体力学的基本原理计算流体力学以理论流体力学和计算数学为基础，是这两门学科 的交叉学科主要研究把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大 型代数方程，建立可在计算机上求解的算法广义而言，可从流体现 象出发，直接建立满足流动规律的、适当的离散数值模型，而不必经 由已有的流体力学偏微分方程组通过时空离散化，把连续的时间离 散成间断的有限的时间把连续的介质离散成间断有限的空间模型， 从而把偏微分方程转变成有限的代数方程因此，数值方法的实质就 是离散化和代数化离散化—把无限信息系统变成有限信息系统；代 数化—把偏微分方程变成代数方程而离散的数值解一般可用两种形 式给出：网格点上的近似值，如差分法；单元中易于计算的近似表达 式，如有限元、边界元法。
图表1 CFD实例五、CFD技术在船舶设计中的应用1. cfd技术在船型有优化中的应用船模拖曳水池作为研究船舶快速性的重要手段，一直在船舶型 线的研究和设计中发挥着重要的作用，其结果至今仍是新船型开 发中不可或缺的重要数据但该方法的缺点主要是花费大，周期 长及完全依赖船池计算流体力学(CFD)是一门用数值计算方法直 接求解流动主控方程(Euler或Navier — Stokes方程)以发现各种流动现象的规律的学科它综 合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科，在船舶领域的快速性、耐波性、 操纵适航和螺旋桨及其空泡计算等方面有着重要应用在船舶快 速性性能计算领域，CFD已经成为船舶型线设计及优化的新兴手 段，在国外得到广泛应用它与以往先制作船模、再进行水池试 验相比，船型开发的时间和费用可以大幅度下降，还有利于更好地提高所开发船型的性能，大大减少对船模试验水池的依赖北 欧、日韩以及其他先进造船国家正在进一步开展计算流体力学研 究，着力改进理论模型、提高计算精度以及大力引人可视化方法, 并扩大应用于船舶操纵性能和适航性能的评估2. 在螺旋桨，喷水推进器等船舶推进器设计中的应用CFD方法应用于推进器的设计时，能实现结果的可视化，推熟。
3. 船体结构分析中的应用在我国造船界，有限元技术发展始于20世纪70年代，经过近30多年时间的开发，一些中小型的专用程序被广泛用于船舶结构分析中，构成了国内船舶结构强度计算的实践基础，为船舶直接技术提供了有限元分析手段然而由于我国大型综1合性分析系统研制工作起步较晚，目前尚未形成具有国际竞争力的规模性软件目前国内主要 采用的有限元分析软件大都是引进国外生产商的大型通用的有 限元结构分析软件这些程序已被广泛应用于船舶结构分析的各 个领域，并已取得了一定的成就4. 船舶空调通风系统中的应用采用CFD方法对通风系统进行分析的技术已经十分成熟， 有些，模拟计算的实例经过空调通风的设计研究有很大的应用前 景CFD技术可分析了解室内空气的流场分布，对工程设计进行 直观预测，并可大大节约研究费用，有较大的应用前景5. 船舶阻力方面的应用从公开发表的文献看,利用CFD方法对船舶阻力进行计算， 特别是对水下潜体进行计算，计算结 果精度较好，但是，对于半潜体阻力 的计算，由于自由面的存在，利用现 有的计算程序还得不到理想的结果八、结束语船舶CFD的应用能提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成 本，因而得到了普遍的重视，虽然CFD技术还存在许多的不足，模 拟的数值结果在定量的精度上海无法完全取代水池试验，但随着软件 计算的不断发展，CFD技术将在船舶领域中发挥越来越重要的作用。