1. 计算思想

本文计算船舶阻力的步骤为：

① 根据型线图，在CATIA中对郑和宝船进行建模；

② 将模型导入ICEMCFD中划分网格；

③ 将网格文件导入Fluent中；

④ 设置材料、边界条件、迭代次数等参数；

⑤ 计算结果并进行后处理。

2. CATIA建模

使用CATIA中创成式外形设计界面，根据型线图和型值表，绘出模型图如图7-3所示。

图7-3　郑和宝船船体CATIA模型

此外，为方便网格划分和最后的Fluent计算，需要在船体外建立外域，坐标原点在0号站线与基线的交点处，此处建立外域的范围为：X向取-600—400 m；Y向取-200-200 m；Z向取-100-100 m。建好的外域和船体整体CATIA模型如图7-4所示。

图7-4　外域与船体整体CATIA模型

在曲面生成过程中，有部分面生成之后，与相邻的面之间会存在细小的缝隙，特别是在曲度较大的船首和船尾部分，这种情况较容易出现，不过这影响并不大。经验证，将图形导入ICEMCFD修复几何图形之后，这些缝隙都会得到修复。

3. ICEMCFD网格划分

将模型导入ICEMCFD13.0，经几何修复后，为节省计算时间，进行结构网格划分，并且仅划分一半船体网格。划分后，船体表面的网格分布如图7-5所示。

图7-5　船体表面网格分布情况

为查看网格质量，截取部分典型界面，其网格分布如图7-6所示。

图7-6　部分典型界面网格分布情况

4. Fluent阻力计算

将导出的网格文件导入Fluent13.0，如图7-7所示。

图7-7　mesh文件导入Fluent中的显示图

Fluent设置的具体步骤为：

① 选择3D求解器，DoublePrecision；

② 检查网格，确认本模型网格数目为491 218个，无负网格存在；

③ 通过scale，把模型的尺度改成和目标计算实体相同（将缩尺比定为10∶1，计算模型的阻力系数，然后换算到实船）；

④ 选择非定常求解器；

⑤ 定义模型参数和流场材料参数；

⑥ 定义边界条件；

⑦ 设置用户函数，定义水下压力随深度变化函数；

⑧ 设置监视器和残差；

⑨ 设置时间步长、每步最大迭代次数和总的时间步数；

⑩ 开启迭代，观察监视器图像收敛情况。

经过计算，阻力曲线大致不再变化，其残差图和阻力系数曲线图分别如图7-8、7-9所示。经report，得到船模总阻力系数为3.78×10-3，摩擦阻力系数为3.188×10-3。

图7-8　残差曲线图

图7-9　阻力曲线7.14 s后的走势图(www.daowen.com)

5. 实船阻力换算

此处采用二因次法，利用船模的阻力系数换算实船的阻力系数。

下面各式中，下标s代表实船，下标m代表船模。

由傅汝德假设，总阻力中的黏压阻力和兴波阻力可以看成剩余阻力Rr：

在相应速度时，由比较定律

由傅汝德定律

故，实船总阻力系数可写为

取实船水线长为计算船长，航速为5节（2.57 m/s），黏性系数v取为海水在15℃时的1.19×10-6，算得实船雷诺数为

根据1975ITTC公式，算得实船摩擦阻力系数为

将Fluent计算所得的

带入式⑥得

总阻力为

式中，ρs=1.025 t/m3，Vs=2.57 m/s，Ss=5 280 m2

选用南海平均风速6 m/s、帆攻角为20°、飘角为0°时的情况，计算所需帆面积