露西·阿什顿（Lucy Ashton）关于抵抗预测的工作坊总结

《Ocean Engineering》：A summary of the Lucy Ashton resistance prediction workshop

2024年举办的全尺度CFD阻力预测研讨会以Lucy Ashton蒸汽船为研究对象，通过网格细化（Set 0）、不同弗劳德数全尺度模拟（Set 1）和模型比例变化模拟（Set 2），对比1950年代实验数据。结果显示数值阻力普遍低于实验值，主要因忽略船体粗糙度和运动自由度，全尺度散射中位数偏差仅2.3%，验证了CFD在船舶阻力预测中的可行性。

　　在船舶设计和性能预测领域，计算流体力学（CFD）作为一项重要的工具，正逐步取代传统的实验方法。为了评估CFD在预测全尺寸船舶阻力方面的准确性和可靠性，2024年组织了一场盲测CFD阻力预测工作坊，以Lucy Ashton桨轮船作为测试案例。这项工作坊的设计旨在提供一个全面的分析平台，比较不同CFD代码之间的结果差异，并评估模拟结果与历史实验数据的匹配程度。本次工作坊涵盖了三个不同的研究部分，分别是网格细化研究、全尺寸条件下不同弗劳德数的模拟以及固定弗劳德数下不同模型尺寸的模拟。四十位参与者提交了数据，这些数据被用于分析，同时与1950年代Lucy Ashton实验数据进行对比，以验证CFD的预测能力。

Lucy Ashton是一种曾在苏格兰的克莱德河上运行的客运渡轮，其历史可以追溯到1888年，直到1949年退役。在1950年代，英国造船研究协会（BSRA）对Lucy Ashton进行了海试，以研究无螺旋桨推进的情况。通过在甲板上安装四台喷气发动机，BSRA避免了螺旋桨与船体之间的相互作用以及波浪干扰的影响。实验还考虑了表面粗糙度和生物附着的影响，通过不同的表面处理条件（如铝漆和红氧化铁漆）和不同的接缝处理方式，以全面评估这些因素对阻力的影响。这些实验数据为CFD工作坊提供了宝贵的基础，使研究人员能够在没有已知实验结果的情况下进行预测性模拟。

本次工作坊的结构主要分为三部分，分别对应不同的研究条件。第一部分（Set 0）是网格细化研究，所有参与者使用相同的网格进行模拟，以评估不同CFD代码在相同计算条件下的表现。第二部分（Set 1）是全尺寸条件下的不同弗劳德数的模拟，其中部分条件为必做，部分为可选。第三部分（Set 2）则是固定弗劳德数下不同模型尺寸的模拟，进一步验证CFD在模型缩放条件下的适用性。通过这些不同的研究条件，工作坊不仅评估了CFD在预测全尺寸阻力方面的准确性，还提供了模型缩放过程中的详细分析。

在Set 0中，参与者使用了相同的网格进行模拟，这有助于减少因网格设置差异带来的误差。结果表明，CFD预测的阻力值普遍低于实验数据，这是由于模拟中假设船体表面光滑且不发生沉浮或俯仰运动所致。尽管如此，各模拟结果之间的偏差较小，表明CFD在处理简单几何形状时具有较高的一致性。此外，Set 0的阻力数据在弗劳德数增加时，其偏差呈现出逐渐减小的趋势，最大中位数绝对偏差不超过2.3%。这一趋势与模型缩放数据中的结果相吻合，进一步支持了全尺寸CFD模拟的可靠性。

Set 1的模拟涉及全尺寸条件下的不同速度，以不同的弗劳德数进行。参与者在这一部分中可以自由选择使用不同的湍流模型和网格设置，因此模拟结果的差异相对较大。尽管如此，总体来看，模拟结果的中位数绝对偏差仍然较低，表明CFD在全尺寸条件下具有一定的预测能力。此外，Set 1的模拟结果与1950年代的实验数据相比，显示出CFD在预测阻力方面存在一定的低估现象，这可能与模型中未考虑表面粗糙度以及动态运动有关。

Set 2的模拟则专注于模型缩放条件下的不同模型尺寸，保持弗劳德数不变。这一部分的模拟结果显示，随着模型尺寸的减小，阻力的偏差有所增加，但总体仍处于可接受的范围内。模型缩放过程中，CFD模拟结果与实验数据之间的偏差被进一步分析，以评估CFD在不同缩放条件下的适用性。尽管存在一定的偏差，但模拟结果仍然显示出良好的一致性，表明CFD在模型缩放条件下能够提供可靠的预测。

在工作坊的参与情况中，共有四十个有效提交，其中部分参与者仅提交了部分数据。参与者的CFD代码使用情况表明，尽管有多种代码参与，但大部分参与者使用的是STAR-CCM+和OpenFOAM等商业或开源软件。这些代码在处理不同的计算条件时表现出不同的特点，例如STAR-CCM+在处理全尺寸模拟时表现出较高的计算精度，而OpenFOAM则在处理模型缩放时显示出较好的一致性。此外，参与者在处理网格生成、边界条件和湍流模型选择方面存在一定的差异，这也导致了结果之间的偏差。

工作坊的结果分析显示，CFD在预测船舶阻力方面具有一定的可靠性，特别是在全尺寸条件下。尽管存在一些偏差，但这些偏差主要来自于模拟设置的不同，而不是CFD本身的问题。此外，使用中位数和中位数绝对偏差作为统计指标，能够更准确地反映模拟结果的不确定性，尤其是在存在极端离群值的情况下。通过比较不同条件下的模拟结果，可以得出结论：CFD在预测全尺寸船舶阻力时，其偏差范围并不高于模型缩放条件下的模拟结果，这表明CFD在全尺寸模拟中具有一定的可靠性。

总的来说，本次工作坊为CFD在船舶阻力预测中的应用提供了重要的数据支持。通过盲测的方式，研究人员能够更客观地评估CFD的预测能力，而不受已知实验数据的影响。尽管存在一些偏差，但总体来看，CFD在全尺寸和模型缩放条件下均能提供较为一致的结果，这对于工业界和学术界在船舶设计和性能预测中的应用具有重要意义。此外，工作坊还揭示了不同CFD代码在处理不同计算条件时的表现差异，为未来的研究和开发提供了有价值的参考。