高速滑行艇阻力性能CFD分析技术研究进展：自由面数值扩散、计算域约束效应与局部流动捕捉的综合影响

《Journal of Marine Science and Engineering》：Advancement of CFD Analysis Techniques for the Resistance Performance of High-Speed Planing Craft

　　

高速滑行艇会产生复杂的局部流动，包括飞溅（spray）、自由面变形以及断阶后方的空气通气（air ventilation），这些现象使基于CFD的阻力预报变得复杂。本研究探讨了影响阻力估算的三个因素：自由面数值扩散、计算域约束效应和局部流动分辨率。数值扩散由对流格式而非时间步长决定；在格式固定的情况下，时间步长变化160倍仅使阻力改变几个百分点。拖曳水池边界通过限制船体周围的流动，引起自由面形状、压力场和浸湿面积的耦合变化，并最终反映在阻力上。因此，在与模型试验比较CFD结果时，需要采用与水池尺寸匹配的计算域。研究人员将自适应网格细化（AMR）应用于飞溅和断阶后方的空气通气。解析脱离船体的飞溅对阻力影响可忽略不计，而解析通气区域则改善了压力阻力预报，并将相对于模型试验的阻力误差从约10%降至几个百分点以内。这些结果表明，网格细化是否必要取决于局部流动是否对船体受力有贡献，而非其表面上的复杂性。所有模拟均以中等小型船舶研究院（Research Institute of Medium & Small Shipbuilding）的高速拖曳水池测量数据进行了验证。

**研究背景**

与排水型船舶不同，高速滑行艇在高速航行时上浮至水面，以滑行状态运行，通过作用于船底的动力压力支撑大部分载荷。在滑行状态下，会出现排水型船舶所不具有的复杂局部流动，如艏部飞溅（spray）、自由面快速变形，以及断阶滑行艇断阶后方的空气通气（air ventilation）。因此，利用计算流体力学（CFD）估算滑行艇阻力已知不如排水型船舶可靠[1]。已有研究主要致力于精确复现这些局部流动，例如改进界面捕捉格式、在界面附近细化网格、对飞溅进行网格细化[4]、在细化网格上进行大涡模拟（LES）[5]以及在再附着区域进行局部网格细化[6]等。然而，细致复现所有局部流动会显著增加网格单元数量及相关计算成本，且并非所有流动都需要以相同精度复现。部分流动直接参与阻力估算，另一些则不参与，但现有研究缺乏区分二者的判据；同时，很少有研究在同一目标船型上综合考察自由面数值扩散、计算域约束效应和局部流动捕捉对阻力估算的影响。为此，本研究以建立"根据局部流动是否参与船体受力来决定是否施加网格细化"这一判据为核心目标，系统研究高速滑行艇阻力估算中的数值与物理要素，以期推进滑行艇阻力的CFD分析方法。

**研究内容与总体结论**

研究人员以包含无断阶基线船型（S0）和三种断阶船型（S1、S2、S3）的单体滑行艇为对象（1/6缩尺模型），在40节（基于垂线间长L_pp的弗劳德数Fn=0.84）等工况下开展CFD分析，并以中等小型船舶研究院（RIMS）高速拖曳水池的模型试验数据（370 m×8 m×5.5 m水池）进行验证。研究发现：(1) 自由面数值扩散由对流格式而非时间步长主导——固定格式下时间步长变化160倍仅使浸湿面积和总阻力改变几个百分点，而强制采用一阶迎风格式则在20节和40节下分别使浸湿面积减少约27%和40%、总阻力降低约5%和18%；(2) 计算域边界限制船体周围流动时，会增强艏部下方高压区，引起自由面抬升及船体压力与浸湿面积变化，从而增大阻力，因此与模型试验对比时应采用与水池尺寸一致的计算域；(3) 应用自适应网格细化（AMR）精细解析脱离船体的飞溅对阻力及航行姿态估算无显著影响，而解析断阶后方空气通气则使三种断阶船型相对于模型试验的总阻力系数误差从9.88%、2.98%、3.53%分别降至3.99%、0.01%、?2.21%，且改善集中于压力阻力分量。研究的重要意义在于提出了网格细化的一般性判据：局部流动是否直接参与船体受力，而非其视觉复杂程度。

**关键技术与方法**

研究人员使用STAR-CCM+（17.02）求解不可压缩雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，采用k-ω SST湍流模型，以流体体积（VOF）方法结合HRIC高分辨率格式捕捉水气界面，并使用Planar Motion Carriage复现拖曳水池的拖航过程以抑制初始瞬态响应。计算域设四种组合（Case 1–4）以分别评估宽度和深度约束效应。AMR依据水体积分数0.05–0.95判据最多细分两级，最小网格约0.0018 m。模型试验在RIMS高速拖曳水池完成，模型为1/6缩尺，阻力采用WBHS-500三分力传感器测量，按ITTC规程评估的扩展不确定度约0.9–2.5%。

**研究结果**

**3.1 网格收敛性**：基于trimmer网格和棱柱层（近壁第一层网格高度对应y⁺≈30），采用网格收敛指数（GCI）评估。40节下修正后网格不确定度约0.83%，50节下约1.35%，均在阻力测量扩展不确定度范围内；近壁面分辨率研究显示总阻力系数差异在1%以内，AMR层级和体积分数阈值对结果不敏感。

**3.2 对流格式引起的自由面数值扩散**：将HRIC格式的库朗数（Co）上下限设为0和10，在40节下比较不同时间步长的VOF分布，发现大步长（Δt*=0.327）时界面扩散严重并出现空气卷吸至船底；定量评估显示浸湿面积减少约46%，总阻力低估约21%。强制一阶迎风格式时扩散更显著且随航速增大而加剧，而固定格式时时间步长变化160倍仅引起几个百分点的变化。因此数值扩散由对流格式主导，应采用足够小的时间步长（Δt*=0.00205）使高阶格式在整个计算域内保持。

**3.3 计算域约束对阻力的影响**：固定姿态下比较四种计算域，结果显示计算域越小总阻力系数（C_tm）越大，宽度约束（Case 2）比深度约束（Case 3）影响更明显，且压力阻力系数（C_pm）变化较粘性阻力系数（C_vm）更显著。通过对比Case 1与Case 4的船体表面压力分布（C_p）和VOF分布，发现差异集中在接近自由表面的驻点线附近；进一步分析艏部前方波形和周围压力场，表明窄域中船体排开水的扩散受边界限制，增强了艏部下方高压区，导致自由面抬升，进而改变船体压力分布和浸湿面积。由于模型试验本身包含这一约束效应，计算域应设置为水池尺寸（Case 1）。

**3.4 利用AMR捕捉飞溅**：在40节和50节下比较有无AMR的飞溅再现。无AMR时，脱离船体的飞溅薄层呈模糊的平滑面；有AMR时，薄层的波纹结构和边缘破碎均被清晰再现，且与模型试验照片定性一致。然而，总阻力系数误差在40节为1.01%（无AMR）和0.25%（有AMR），50节为?0.37%和?1.32%，下沉和纵倾误差也基本相当。原因是AMR改善的是飞溅离开船体后的形状再现，而飞散到空气中的飞溅不参与船体压力和剪切力的积分，因此无需为阻力估算而细化飞溅。

**3.5 利用AMR捕捉断阶流动**：在40节下对S1–S3三种断阶船型比较有无AMR的空气通气再现。无AMR时三种船型的断阶后方均未再现空气通气，船底仍与水接触；有AMR时通气的空气区域与模型试验定性一致，且网格沿通气区域的水气边界自动细化。总阻力系数误差从无AMR的9.88%、2.98%、3.53%分别降至有AMR的3.99%、0.01%、?2.21%。阻力变化集中在压力阻力系数，例如S3从2.549降至2.298，而粘性阻力系数基本不变（1.717→1.732）。通过对比断阶垂直面上的ΔVOF和ΔC_p，发现水接触时水绕过断阶后方形成的低压作用于朝后的垂直面，产生增大压力阻力的吸力；再现空气通气后该面暴露于空气，压力恢复，压力阻力减小。粘性阻力几乎不变是因为断阶后方区域本身对总粘性阻力贡献小，且气泡以水气混合物形式存在。

**讨论与结论**

研究结果表明，脱离船体的飞溅虽然视觉上复杂，但动力学上无关紧要；断阶后方空气通气虽几何上较简单，却直接决定阻力估算精度。因此，AMR等网格细化的必要性不取决于局部流动的表观复杂程度，而取决于其是否作用于船体受力。研究人员指出，定量结果仅适用于本研究的船型、速度范围和断阶几何构型，不应视为通用设计指南；但"根据局部流动是否参与船体受力来决定网格细化"的方法论具有普适性。本研究结论翻译如下：本研究旨在通过考察自由面数值扩散、计算域约束效应和局部流动捕捉三个方面，推进高速滑行艇阻力性能的CFD分析方法。数值扩散由对流格式而非时间步长主导，应采用足够小的时间步长以维持高阶格式；计算域应设置为水池尺寸以与模型试验对比；AMR的必要性取决于局部流动是否参与船体受力。研究仅限于静水、稳态滑行条件，在波浪中、海豚运动（porpoising）或非设计纵倾状态下，航行姿态和断阶后方局部流动可能不同，相关结论应视为进一步研究的起点，向非定常和非设计工况的推广将在未来工作中开展。