STAR-CCM+双体船浅水阻力仿真

关键词：STAR-CCM+；浅水阻力；双体船；RANS；网格验证

一、文章简要介绍

太阳能双体船SolarCat跑在浅水区，阻力会涨多少？这个问题直接关系到航行安全和能耗。克罗地亚萨格勒布大学的Martic等人用STAR-CCM+对SolarCat做了系统的阻力数值评估，发表于Journal of Marine Science and Engineering 2023年11卷。计算基于RANS方程加k-omega SST湍流模型，自由液面用VOF捕捉，浅水工况还启用了网格变形算法。四个水深（无限深、h/T=7.6、4、2）两个航速（4节、5.5节）共七组算例，外加一套完整的网格无关性验证。这篇的工作量很扎实，对做船舶水动力仿真的同行有参考价值。

图1 太阳能双体船SolarCat的三维模型

SolarCat是太阳能电动客渡双体船，模型左右对称，仿真只取一半计算域。

二、STAR-CCM+仿真设置

计算域和边界条件是第一步。双体船左右对称，只建一半域。深水工况：入口和顶部离船1.5倍LPP，出口在船后3倍LPP，底部在船下2.5倍LPP，侧面离对称面2倍LPP。入口、顶部、底部用速度入口，出口用压力出口，对称面设对称边界，船体是无滑移壁面。浅水工况的底部位置按h/T比例放：h/T=7.6、4、2分别对应龙骨线下0.3、0.14、0.05倍LPP，底部也加无滑移壁面，相对速度与船速等值反向。

图2 深水工况的计算域与边界条件设置

深水工况边界：速度入口、压力出口、对称面、无滑移船体壁面，域尺寸按LPP倍数布置。

图3 有限水深工况的计算域与边界条件设置

有限水深工况底部按h/T比例放置并施加无滑移壁面，模拟水底对流动的约束。

网格策略上，自由液面区域加密以捕捉Kelvin尾流，两个片体之间以及片体与底部之间也做了局部加密。浅水工况底部有边界层，用棱柱层网格细化。y+按ITTC建议控制：船体用壁面函数，y+落在30到300之间；底部y+控制在1以下，直接解析黏性底层。时间步长按LPP/航速除以系数设定，细、中、粗三档分别是0.01325秒、0.0265秒、0.053秒，速度亚松弛0.7、压力0.4，内迭代5次。

图4 船体边界层网格离散（左）与底部附近网格（右）

船体表面棱柱层网格加自由液面加密，浅水工况底部再叠一层棱柱层。

图5 深水5.5节时船体y+参数分布（30<y+<300）

船体y+分布在30到300区间，满足壁面函数的适用条件。

验证研究用的是GCI方法，网格加密比取根号2、时间步加密比取2。深水工况总阻力在细网格和细时间步下GCI都低于1%，中网格中时间步低于1.5%；h/T=2浅水工况网格不确定度变大，细网格GCI到3.79%，中网格4.87%，时间步GCI仍在1%上下。下沉量各工况GCI基本都在2%以内。结论是中等网格加中等时间步的配置精度可接受，后续算例统一用这套配置。

图6 h/T=2工况的网格横截面

h/T=2的网格截面，可见底部间隙内网格明显加密。

三、关键结果与发现

总阻力随水深变浅明显上升。5.5节时，h/T=7.6工况总阻力710.57牛，h/T=4是749.54牛，h/T=2涨到989.51牛，比h/T=7.6高了约40%。4节航速下h/T=2比h/T=7.6高约14.6%。水深变浅对压阻力影响远大于摩擦阻力：5.5节时h/T=4压阻力增13%，h/T=2几乎翻倍；摩擦阻力占比从h/T=4的约70%降到h/T=2的约60%，说明浅水里压阻成分在变大。

下沉量方面，h/T=2在5.5节时出现明显的蹲效应，下沉约10厘米，湿表面积随之增加，摩擦阻力也往上走。4节时各水深下沉量都小很多。纵倾角基本不变，浅水对纵倾的影响可以忽略。

流场细节上，水深变浅后对称面速度幅值增大，自由液面波型在片体内侧变化明显，纵向波切面的对比能直接看出浅水对兴波的影响。这套仿真流程从建模、网格到验证闭环完整，算例设置和不确定度评估方法可以直接借鉴。

图7 对称面速度场分布（h/T=7.6、4、2）

水深从7.6缩到2，对称面速度幅值逐渐增大，流动加速更明显。

图8 5.5节时不同水深纵向波切面对比

不同水深的纵向波切面直接对比，浅水兴波特性差异一目了然。

四、我们提供的服务

我们可提供船舶与海洋工程方向的仿真服务：STAR-CCM+船体阻力与快速性分析、浅水/受限水域航行仿真、自由液面VOF建模、网格无关性与不确定度评估（GCI）、双体船/多体船水动力性能优化。从几何建模到阻力预报报告全流程交付。

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