6月1日深夜11点多，一辆载有400多人的客轮突遇龙卷风，在长江湖北省监利县大马洲水道倾覆，失事地点位于长江中游航道301公里处。长江航道、海事部门正展开营救。据了解，该客轮名为“东方之星”，隶属重庆万州，倾覆轮船事发时航向为南京开往重庆。国务院已将此事故定性为大风大雨导致的沉船事故。船舶安全问题，特别是在极端天气条件下船舶的行驶安全，成为人们关注的焦点，那么CFD能为船舶设计安全做些什么呢？
稳性衡准
稳性是指船舶在外力矩（如风、浪等）的作用下发生倾斜，当外力矩消除后能自行恢复到原来平衡位置的能力。
船舶具有稳性的原因：
（1）造成船舶离开原来平衡位置的是倾斜力矩，它产生的原因有：风和浪的作用、船上货物的移动、旅客集中于一舷、拖船的急牵、火炮的发射以及船舶回转等，其大小取决于这些外界条件。
（2）使船舶回复到原来平衡位置的是复原力矩，其大小取决于排水量、重心和浮心的相对位置等因素。
（3）船舶是否具有稳性，取决于倾斜后重力和浮力的位置关系，而排水量一定时，船舶浮心的变化规律是固定的(静水力资料)，因此重心的位置是主观因素。
稳性衡准是根据相关法规进行船舶稳性计算检验的一项工作，这项工作直接关系到船舶的行驶安全。
目前生效的国际第一代完整稳性规则即 《2008年国际完整稳性规则》（2008 IS Code）。该衡准是根据20世纪中期收集的船舶营运统计和气象衡准制定的规定性规则。长期以来，国际海事组织（IMO）和学术界均倾向于釆用水动力学理论研究船舶稳性衡准，并改进现有完整稳性衡准规则体系。
现有衡准的不足
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依据20世纪中期收集的船舶营运统计和气象衡准制定的规则，主要是基于经验背景；
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基于船舶静力学理论以船舶在静水中静止时在横风、横浪作用下的复原力臂曲线的参数来描述的；
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无法体现现代船舶水动力学研究的新成果;
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无法体现船舶类型及其操作和环境条件的多样化；
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仅仅是船舶稳性失效模式之一（瘫船），未涉及其它的稳性失效模式。
第二代稳性衡准
经过IMO多年的工作，第二代完整稳性衡准主要关注五种稳性失效模式：
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参数横摇
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横甩/骑浪
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瘫船
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纯稳性丧失
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过度加速度
第二代完整稳性衡准的制定和未来的实施将对船舶设计产生重大影响。将提供数字模拟计算和直接评估的方法，对新颖船舶提供个性化的稳性评估，为船舶设计和船舶营运操纵提供更好的帮助，同时也对船舶设计提出了更髙的要求，对现有的完整稳性衡准将是一场新的重大变革。
船舶阻力计算CFD的解决方案
船舶CFD计算应用需求
船舶的水动力性能（快速性、适航性、操纵性）是由绕船的流场特性而决定，从理论上讲通过求解描述流场特性的流体动力学方程就能对相应的水动力性能做出预报。然而，由于自由面的存在、船体几何形状复杂（特别是船尾）、附体较多，导致自由面水波、流体分离、旋涡等现象的出现，使得流场中的流动结构很复杂，即使有了描述流动过程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，长期以来船模试验便成了研究船舶周围流场特性的一个必不可少的手段。然而，船模试验不仅周期长、费用高、很难得到详细的局部流场信息，同时因为尺度效应，船模实际上并不能真实地再现实船的流动情况，存在很大的局限性。新的水动力性能预报手段的引入已十分必要。
船舶阻力的CFD计算尽管存在自由表面、高雷诺数等多种难题，但近30年来通过人们不懈的努力，从势流理论线性计算到非线性计算，从理想流体到粘性流体，从薄边界层到全NS方程的求解，直至考虑自由面的NS方程的求解，CFD方法在计算能力和实用方面都发生了深刻的变化。过去只是在大学和研究机构才有的计算方法，如今已有很多商业化的CFD软件可以应用。
与试验相比CFD数值模拟技术的优势
与试验验证相比，CFD数值模拟技术具有如下特点：信息量大，成本低，易并行化、能快速响应，这使得CFD数值模拟技术在下述方面具有优势：
（1）依靠CFD数值模拟，可以在一定的流动空间范围内给出流场的定量计算结果，便于分析各种流动参数（如Fn数、Re数和流体的物性等）以及几何构造对流动规律的影响，对舰船总体水动力性能实现广参数（较多的参数种类、较宽的参数范围）考察。
（2）可快捷地实现多方案选优。
（3）一体化模拟多部件的组件内外流统一流场，针对如船体螺旋桨（含泵喷、喷推、导管桨等）/舵/附体等对象物，总体上把握整个组件的整体特性，局部上把握各部件自身的整体特性和之间的相互干扰和影响作用，避免了分立地进行部件试验模拟的片面性。
（4）采用全尺度几何模型，在真实物理、几何尺度上计算求解，避免了在水池试验模拟时模型缩尺比带来的长期困扰人们的尺度效应问题。
（5）CFD技术在细观机理考察上，有明显优势。为提高设计方案的性能，船舶科研人员积极探索新技术措施。科研人员利用CFD工具，实现细观观察，取得对新技术措施何以提高性能的机理性理解，方能减少盲目性，能动地改进工作。
（6）与试验结果数据库技术相比，CFD数值模拟技术能适用于开发新船型和特殊船型，在新概念船型、开发上有明显优势。
FLUENT软件计算特点
FLUENT具有丰富的湍流模型
FLENT软件中在工程上常用的涡粘湍流模式有六种，它们分别是：一方程的S-A模型，二方程的标准k-ε模型、RNG k-ε、Realizable k-ε模型、标准的k-ω模型和SST k-ω模型。
由于船舶绕流中存在大曲率弯曲壁面流动，船尾部流场复杂，因此湍流模式的选取对计算结果的精度有很大影响，通过对上述六种湍流模式进行了对比研究，结果表明RNG k-ε和 SST k-ω模型比较适合于船舶粘性流场的数值模拟。
FLUENT具有强大多相流技术
FLUENT标准模块中还包括许多的多相流模型，其中VOF模型（Volume of Fluid）可以用于对界面的预测比较感兴趣的自由表面流动，如海浪、船舶自由液面。Mixture混合相模型下的汽蚀模型已被证实可以很好的应用到水翼艇、船用螺旋桨的空化模拟。
FLUENT具有强大的动网格技术
FLUENT软件的六自由度动网格技术主要用于计算运动壁面边界问题，即计算边界发生位移形变的问题，边界的形变过程可以是已知的，也可以是取决于内部流场变化的。在计算前首先要给定体网格的初始定义，在边界发生形变后，其内部网格的重新划分是在FLUENT内部自动完成的，而边界的形变过程即可以用边界函数来定义，也可以用UDF函数来定义。
该技术常用于船舶在非均匀来流如波浪作用下的6自由度运动（含有船舶晃荡），船舶在水面或水下的回转运动等。
FLUENT具有单、双向流固耦合及参数化技术
该技术可以用于船舶球鼻艏、舵、螺旋桨桨叶、轴套等构件的流固耦合分析，目前已经有相当多的船舶客户开始对船舶的球鼻艏及桨叶进行双向耦合仿真分析。
另外，FLUENT被集成在Workbench平台下后，能方便地对模型、网格尺寸、边界条件等进行参数化分析，能大大提高船舶在初步设计过程中会涉及到的大量系列设计、相似设计的工作效率，即客户只需要计算一种工况，模型或边界条件修改后的工况，软件会自动求解并输出多工况的仿真计算结果。
除了参数化功能外，FLUENT软件还可以结合Workbench平台下DX优化模块，能方便地实现优化分析，即优化船舶来流速度或者攻角，寻找船舶受到的最小阻力。
FLUENT具有强大的后处理技术
ANSYS的CFDPOST后处理模块，具有强大的3D渲染效果；能方便地对模型进行着色、透明、网格显示等处理；能同时显示云图、矢量图、流线图等功能；能方便地做出各变量随时间、空间位置变化的动画；能对多工况进行同步后处理（软件还能自动寻找两种工况的差异），也可以只需要处理一种计算结果，其它的相似工况都可以共享之前的后处理设置，大大提高后处理效率；能自动输出仿真计算报告：含有网格信息、边界条件信息、后处理图片及数据处理等信息。
本篇文章来源于微信公众号: 南流坊
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