摘 要

大型游艇是一种极具附加值的产品。大型游艇的研发和生产不仅可以推动我国游艇市场的发展，同时可以带动相关产业的发展。作为大型游艇开发关键技术的基础，相关水动力性能的研究工作十分重要。

传统关于船舶水动力性能的研究方法包括理论研究、试验方法和数值模拟。理论研究研究在面对复杂的船体时，实际操作中难以实现。试验方法一直是船舶阻力预报的主要方法，但试验方法需要建造实际模型，需要大量时间和资金，而且因为尺度效应，边界层的厚度与流态会与实际情况有偏差，层流、湍流转换点的位置也会有所不同，进而影响整体实验结果的精确性。

近年来，随着计算机技术的飞快发展和计算机性能的极大提高，基于流体力学发展的计算流体力学（CFD）方法逐渐成为一种重要的研究方法。同传统方法相比，CFD方法的成本极大降低，利用高性能计算机，CFD方法预报船舶阻力的时间也大大缩短，可以同时对多种船体模型和不同航速进行计算，极具灵活性和经济性。

本文以某高速大型游艇为研究对象，使用了ANSYS ICEM CFD进行混合网格的划分，然后使用Fluent进行计算求解，对结果采用了Fluent自带的后处理器和CFD-Post后处理进行分析。采用有限体积法对计算域进行离散，近壁面区域采用壁面函数法近似处理，使用RNG k-ε湍流模型对不同航速下游艇的粘性阻力进行计算，预报实船阻力，并对游艇流域的流场特性进行分析，以游艇的首尾部分为重点，着重分析其流场特性和变化规律，并同理论方法进行了对比，验证了结果的可靠性，提出了优化游艇外形设计的研究方向。

关键词： 豪华游艇；CFD；船舶阻力计算

Abstract

Large-scale yachts are highly value-added products. The development and production of large-scale yachts can not only promote the development of the yacht market in China, but also drive the development of related industries. As the basis for the development of key technologies for large-scale yachts, research on relevant hydrodynamic performance is very important.
Traditional research methods on ship hydrodynamic performance include theoretical research, test methods and numerical simulation. Theoretical research and study in the face of a complex hull, the actual operation is difficult to achieve. The test method has always been the main method for ship resistance prediction. However, the test method requires the construction of an actual model, which requires a lot of time and money. Because of the scale effect, the thickness and flow state of the boundary layer will deviate from the actual situation, and laminar flow and turbulence conversion points. The location will also be different, and then affect the accuracy of the overall experimental results.
In recent years, with the rapid development of computer technology and greatly improved computer performance, computational fluid dynamics (CFD) based on the development of fluid mechanics has gradually become an important research method. Compared with traditional methods, the cost of the CFD method is greatly reduced. With the use of high-performance computers, the time for the prediction of ship resistance by the CFD method is also greatly shortened. It is possible to calculate various hull models and different speeds at the same time, which is extremely flexible and economical. .
This paper takes a high-speed megayacht as the research object, uses ANSYS ICEM CFD to divide the hybrid grid, and then uses Fluent to calculate and solve. The results are analyzed using Fluent's own post-processor and CFD-Post post-processing. The computational domain is discretized by the finite volume method, and the wall surface region method is used to approximate the near-wall region. The RNG k-ε turbulence model is used to calculate the viscous resistance of yachts at different speeds, and the real ship resistance is forecasted, and the flow field in the yacht basin is predicted. The characteristics of the yacht are analyzed, focusing on the first and last part of the yacht, focusing on the analysis of its flow field characteristics and changing rules, and compared with the theoretical methods, verifying the reliability of the results, and presenting a research direction for optimizing the exterior design of the yacht.

Key Words: Luxury Yacht ; CFD ; Ship Resistance Calculation

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 世界游艇业发展现状 1

1.1.2 中国游艇业发展现状 1

1.2 研究目的及意义 2

1.3 CFD技术发展历史及研究现状 3

1.3.1 CFD技术发展历史 3

1.3.2 CFD技术研究现状 4

1.4 本文的主要工作 4

1.5 研究方法和技术路线 5

第2章 数值计算的基本原理 6

2.1引言 6

2.2 CFD的求解流程 6

2.3 CFD的控制方程 8

2.3.1 基本方程 9

2.3.2 湍流模拟方法 11

2.3.3 壁面函数 12

2.4有限体积法 12

2.5CFD软件介绍 14

2.5.1前处理器软件 14

2.5.2求解器软件 15

2.5.3后处理器软件 15

2.6本章小结 15

第3章 游艇粘性阻力数值模拟计算 16

3.1 引言 16

3.2 研究对象及计算方法 16

3.3 网格划分 17

3.3.1 模型导入与修补 18

3.3.2 计算流域划分 18

3.3.1 混合网格生成与检查 19

3.3.1 网格确定与导出 22

3.4 阻力计算 23

3.4.1 网格导入与求解器设置 23

3.4.2 模型与边界条件设置 24

3.4.3 算法和离散格式设置 25

3.4.4 求解控制参数和求解监控设置 25

3.4.5 初始条件设置 26

3.5计算结果及后处理 26

3.5.1 壁面函数y 值检验 26

3.5.2 粘阻系数计算与船体阻力预报 27

3.5.3 船身附近流场分析 30

3.6 本章小结 38

第4章 总结与展望 40

4.1 本文总结 40

4.2 研究展望 40

参考文献 42

致 谢 44

第1章 绪论

1.1 研究背景

在发达国家和经济发展水平较高的地区，游艇已经成为一种高端奢侈消费的特色水上娱乐活动的载体。目前我国的社会经济已经发展到一定水平，部分地区已经满足游艇消费市场的要求，并且随着更多游艇消费市场的逐步开放，我国的游艇市场已经开始进入高速发展的新时期。在部分经济发展水平较高的沿海地区和内陆沿江临湖地区，游艇产业逐渐受到政府部门的重视和扶持，市场上也有相当多的企业参与到游艇的设计研发和制造当中。但总体来说，我国的游艇产业仍处于发展的初级阶段，中高端游艇市场仍由西方国家垄断。在我国社会人均消费水平快速增长、广大人民群众的生活水平快速提高的新时期，发展游艇经济可以为我国新时期的经济增长注入新的活力，不仅可以推动游艇相关工业的革新，还能够促进新型服务业的发展，为构建可持续的创新、协调、绿色、开放、共享的发展局面打造强力引擎。

1.1.1 世界游艇业发展现状

在全球领域，世界游艇市场主要由美、法、英、意等欧美国家主导。从数量来看，游艇建造最多的国家是美国，数量高达两万多艘，其次是法国和英国，年产量分别近八千艘和三千艘。

自上世纪八十年代之后，水面休闲活动首先在欧美等西方发达国家盛行，游艇行业开始快速发展，后来游艇休闲活动又逐渐向其他经济发达国家和地区以及众多岛屿国家发展，在日本、香港、新加坡、印度尼西亚、澳大利亚等国家，游艇消费也日渐兴起。

在当前国际形势下，世界造船工业仍具有稳定的发展趋势。大量新兴经济体的崛起和经济全球化不可阻挡的继续发展，将带来大量的船舶订单，造船业将继续保持繁荣发展。而游艇行业作为造船业的尖端领域，其发展势头正处于尖峰阶段。目前，整个世界的游艇工业规模以超过400亿美元，同时带动大量相关产业的发展，形成了以美国、欧洲和日本为三大中心的市场格局。作为唯一的超级大国，美国仍长期是游艇行业主导者，拥有最大的游艇制造业和最大的游艇消费市场；但众多的新兴经济体国家，如中国及部分东南亚国家和地区，已经快速崛起成为新的游艇市场增长点，并且逐渐成为亚洲的游艇制造中心，而西欧国家仍是高档豪华游艇的主要供应商。在高档豪华游艇生产与消费领域，仍是欧美国家占据主导地位，但中、低档游艇的生产和消费在新兴经济体中快速发展。

1.1.2 中国游艇业发展现状

根据瑞士投行通信在2018年发布的关于2017年《全球财富报告》，在中国，年收入达到100万的人数已经有200万，占比全球年收入百万人数的5%左右，而中国中产阶级人数已经达到了3亿人，占到了全球中产阶级人数的30%。中国市场具备巨大的消费潜力，尤其是具有海洋旅游、奢侈消费和服务消费等特色的游艇运动，必将带动我国新一轮的消费升级。而这次消费升级的主要推动力量就是我国的中产阶级群体，其所需消费的游艇价格一般位于100万左右的，属于中低档的游艇消费项目。而中高端收人人群和企业单位的消费负担能力较强，则是高档豪华游艇的消费主力。

进入新世纪的十几年是我国船舶制造行业发展最为迅速的阶段，借助我国船舶工业的快速发展，我国的游艇生产制造能力已经跻身全球前十的位置。如今，在我国，生产和制造游艇的企业已经近100家，除供应国内市场外，其中所生产的游艇半数以上直接销往国外，出口到了全球 80 多个国家和地区，出口金额接近60亿美元。在我国大陆地区所建成的以及正在施工建设的游艇俱乐部超过上百家之多，具有游艇进出口资格的企业超过了 700 多家。

从宏观角度来看，我国的游艇研发制造和生产工业仍还处于初级阶段，游艇市场也有待开发，存在着研发水平、生产技术、产品质量等问题，但我国高速发展的游艇行业拥有广阔的前景，可以带动一系列相关实体工业技术的升级，推动我国游艇消费市场发展。

1.2 研究目的及意义

船舶已经成为人类必不可少的一种交通运输载具，承载着人类向往深蓝的渴望。而游艇，作为一种可供平常人接触和使用的水上工具，同时是一种可供水上娱乐消费的高端奢侈平台，具有极大的需求量。同汽车、飞机行业一样，伴随着游艇行业的快速发展，可以带动相关产业，如海洋船舶第二产业的发展，同时可以推动新型材料、船舶涂料、仪表仪器、动力系统、船舶机械等几十个配套工业的发展；于此同时在市场领域也可以带动游艇配套服务业的发展，带动诸如游艇维修、游艇驾驶、游艇后勤补给、游艇水上服务和旅游等一批相关的行业的大力发展。发展游艇经济，龙头是进行研发，核心是在设计和制造领域，产生的社会效益则在游艇制造和消费的方方面面。2018年，我国宣布海南省全面深化改革开放，借助海南省的区位优势，将海南的发展战略定位于全面深化改革开放试验区、国际旅游消费中心，重点发展旅游业，这势必会进一步推动国内游艇市场的发展。

在国内，游艇制造业的发展还处于上升阶段，高端游艇的设计制造仍被西方国家垄断，在市场大力发展的情况下要把握好这一领域的主导权，必须推动我国游艇的研发、设计和制造的发展。游艇作为一种休闲型奢侈船舶，是直接面向消费的高端平台，其水动力性能的研究显得更加重要，其安全性和舒适性与其水动力性能息息相关，如稳性、浮性、抗沉性、快速性等诸多性能。

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