使用工具 : Simcenter STAR-CCM+
前言
STAR-CCM+ 於船舶基礎設計應用最基本的就是螺槳的性能分析、Head Wave (頂頭波) 設計分析、波浪下的船體阻力預測分析、船體下水底部壓力測試分析等。當結合了重疊網格、旋轉機械、自由液面及六個自由度分析等功能後，STAR-CCM+ 其實能夠解決非常多的綜合問題，本案例螺槳尚未加入空蝕分析，而綜合運用雖開啟自由液面但未加入 6 自由度的運算，後續中我們將繼續討論。歡迎業界先進瀏覽參考。
圖表 1 螺槳單體設計
圖表 2 頂頭波流場分析
圖表 3 波浪流場阻力分析
圖表 4 船底壓力分析
STAR-CCM+ 於船舶進階設計應用
預測搭配船槳之船速分析，此方法採用虛擬盤 (Virtual Disk) 的設計方式，也就是在基本螺槳設計中所設計出來的性能曲線帶入分析，無須帶入螺槳進行旋轉分析，透過變更進口速度達到推力與船體阻力平衡後推算出該轉速效能下的船速，此方法可以簡化不少時間，但對於船體對螺槳效能的影響將無法確認。
圖表 5 自航體積力分析方法
虛擬實驗室設計
當我們在開發一款船體時，基本上的設計尺寸不會有太大的變化，所以對分析者來說，大多數的基本資訊是相同的，而整個流體分析的次序就是建模 (網格建立)、數學運算模型的選擇、邊界條件的建立、基本參數的擷取、後處理動畫的設定、設計目標的數據輸出等等，這些從頭到尾的工作其實都是一樣的，對於 Java 程式熟悉的人當然可以用 STAR-CCM+ 的步驟錄製功能一一將各個步驟錄製起來然後進行編排，但若對程式沒有這麼熟悉的人，其實僅需要在 STAR-CCM+ 的建置中完成一次後就可以進行模型的替換即可，其餘的工作設定僅需要微調即可，或是發現有需要更新的資料訊息持續添加，如此一來可以有效簡化工作負荷，甚至可以直接進行多模型的建置再採用批次檔的模式進行分析。
圖表 6 快速置換分析模型的虛擬實驗室
綜合案例分析
進階應用中提到採用虛擬盤的方式帶入螺槳的性能曲線，透過變更進口速度來達成計算最終的船速，但此方法無法確認船體對螺槳的性能影響，因此我們可以把船體跟螺槳結合進行螺槳的性能分析，甚至我們可以直接採用動網格的模式進行船體的運動分析。
圖表 7 重疊網格的進階應用
圖表 8 動態壓力
圖表 9 帶自由液面船與螺槳分析
圖表 10 不同的進口速度
圖表 11 自由液面分析
圖表 12 設計不當造成空氣被捲入螺槳內導致推力失效
結論
當結合了重疊網格、旋轉機械、自由液面及六個自由度分析等功能後，STAR-CCM+ 其實能夠解決非常多的綜合問題，而透過強大的運算能力及網格功能後，這些複雜的案例所需要的計算資源其實相對不高，再加上網格、計算與後處理的同界面整合後，虛擬實驗室亦可輕易地完成設定，這些都有效簡化使用者的時間並縮短需要的計算時間。(上述的所有分析也僅僅是在 i7 性能的 CPU 採用六或八核心進行運算，最多花費時間未超過兩天)，目前的案例螺槳尚未加入空蝕分析，而綜合運用雖開啟自由液面但未加入 6 自由度的運算，後續中我們將繼續討論，至於船艙的空調分析及外流場的效應模擬這些對 STAR-CCM+ 來說，都是非常簡單的標準運算，將不多做說明。
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