Chapter 3 計算模型與驗證
3.2 裸船阻力試驗模擬驗證
3.2.3 網格獨立性測試
Star-CCM+軟體計算船舶阻力時，將船舶阻力分為垂直船殼表面之壓差阻力 與相切於船殼表面的摩擦阻力，屬於船舶阻力成分分析中的應力觀點，其中壓差 阻力包含黏性壓差阻力與興波阻力，如 2.1.5 節中討論結果，開啟 Double-Body 模型時所計算出之壓差阻力即為黏性壓差阻力。本研究進行網格加密與網格獨立 性測試時即以應力觀點來進行分析，分別針對船舶影響壓差阻力與摩擦阻力之部 分進行網格佈置。
3.2.3.1 網格佈置策略
船舶之摩擦阻力與佈置於船身周圍之網格息息相關，所佈置之網格大小需要 準確計算船身周圍之邊界層現象，計算軟體在摩擦阻力部分使用柱狀體積網格 (Prism Layer Mesh)，並以內建之壁面函數模擬計算其周圍之紊流流場，其主要利 用設定邊界層網格總厚度、層數、厚度成長率三個變數做調整。船舶之壓差阻力 則與艏艉網格佈置相關，在艏艉部份需要足夠密之網格佈置方能準確計算壓差阻 力，計算軟體可以長方體、圓柱體包覆特定區域，進行加密網格之動作。
針對船體幾何變化較大的部份，以長方體或圓柱體包覆，進行加密動作以確
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保船體幾何之正確性，包覆方式可由船體幾何決定，如跡流區可選用圓柱體包覆 以符合螺槳平面，且產生之網格數可以少於以長方體包覆，若要加密自由液面周 圍則適用長方體包覆；此外，由於本研究主要目標為模擬不對稱船艉及分析後方 艉流流場，因此對船艉幾何部份及跡流區利用
X
、Y
、Z
方向獨立加密來控制網 格數量同時達到準確之結果。由於有無自由液面之船身周圍加密區域皆相同，以 有自由液面裸船阻力試驗模擬之加密區域為例，如圖 3-17 所示。圖 3-17、船艉獨立加密區域示意圖
對於有自由液面裸船阻力試驗模擬，除了上述壓差阻力與摩擦阻力部份需進 行網格加密，在自由液面上下亦須在重力方向進行加密，以準確模擬自由液面產 生之影響；此外，針對船舶前進時所產生之波形特色，包括散射波(divergent wave) 與橫向波(transverse wave)形成的需要，在船側及船艉後方流場網格做加密，如圖 3-18。
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圖 3-18、船側船艉流場網格佈置
3.2.3.2 邊界層網格獨立性
船舶摩擦阻力部份以系統性改變邊界層網格做為測試網格獨立性之方法，本 研究固定邊界層網格總厚度(0.02m)及厚度成長率(Factor=1.1，說明如圖 3-19)，
且固定其他部份網格設定，以改變層數做計算。
圖 3-19、柱狀體積網格厚度成長率說明圖
有自由液面裸船阻力試驗模擬計算結果如表 3-4，收斂圖如圖 3-20。由表 3-4 可知，網格數隨層數增加而變多，當層數於 10 層下所計算之摩擦阻力與 13 層之 結果差異小於 1%，認定達到邊界層網格獨立性，然而兩者網格數量差異並不大，
在研究時間許可下，本研究選用 13 層為有自由液面裸船阻力試驗模擬之邊界層 層數以追求更高之準確度。
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表 3-4、有自由液面裸船阻力試驗模擬邊界層層數網格獨立性測試 編號 邊界層層數 網格數(百萬) 裸船摩擦阻力(N) 差值%
1 7 層 3.55 31.519 1.51%
2 10 層 3.86 31.050 0.21%
3 13 層 4.16 30.985 -
附註： ( 1) - ( )
% ( 1)
n n
n
裸船摩擦阻力 編號 裸船摩擦阻力 編號
差值 裸船摩擦阻力 編號
圖 3-20、有自由液面裸船阻力試驗邊界層網格獨立性收斂圖
無自由液面裸船阻力試驗模擬計算結果如表 3-5，收斂圖如圖 3-21。由表 3-5 可知，網格數隨層數增加而變多，當層數於 10 層下所計算之摩擦阻力與 13 層之 結果差異小於 1%，認定達到邊界層網格獨立性，然而兩者網格數量差異並不大，
在研究時間許可下，本研究選用 13 層為無自由液面阻力裸船阻力試驗模擬之邊 界層層數以追求更高之準確度。
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表 3-5、無自由液面裸船阻力試驗模擬邊界層層數網格獨立性測試 編號 邊界層層數 網格數(百萬) 裸船摩擦阻力(N) 差值%
1 7 層 1.40 31.392 1.95%
2 10 層 1.52 30.792 0.03%
3 13 層 1.63 30.783 -
附註： ( 1) - ( )
% ( 1)
n n
n
裸船摩擦阻力 編號 裸船摩擦阻力 編號
差值 裸船摩擦阻力 編號
圖 3-21、無自由液面裸船阻力試驗邊界層網格獨立性收斂圖
3.2.3.3 艏艉流場網格獨立性
船舶艏艉部份主要影響壓差阻力計算結果，針對有自由液面艏艉網格局部加 密區域如圖 3-22、圖 3-23，無自由液面艏艉網格加密如圖 3-24、圖 3-25，並分 別對其加密網格大小程度做獨立性測試。加密方法為給定局部加密處
X
、Y
、Z
三方向之網格邊長，本研究給定三方向相同的網格邊長大小，調整此數值來做加 密動作，由於網格生成時會由網格成長率逐漸縮放，因此網格邊長與網格數並非 等比例關係。49
圖 3-22、有自由液面裸船阻力試驗模擬艏艉加密側視圖
圖 3-23、有自由液面裸船阻力試驗模擬艏艉加密前視圖
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圖 3-24、無自由液面裸船阻力試驗模擬艏艉加密側視圖
圖 3-25、無自由液面裸船阻力試驗模擬艏艉加密前視圖
有自由液面裸船阻力試驗模擬之計算結果如表 3-6，收斂圖如圖 3-26，由表 可知，Mesh-F1(3.72 百萬網格)與 Mesh-F2(4.16 百萬網格)之壓差阻力差值小於 1%，認定達到艏艉流場網格獨立性，然而兩者網格數差異不大，在研究時間許可 下，本研究選用 Mesh-F2 為有自由液面裸船阻力試驗模擬之網格設定以追求更 高之準確度。
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表 3-6、有自由液面裸船阻力試驗模擬艏艉流場網格獨立性測試 編號 網格測試名稱 網格數(百萬) 裸船壓差阻力(N) 差值%
1 Mesh-F1 3.72 8.950 0.72%
2 Mesh-F2 4.16 8.887 0.35%
3 Mesh-F3 9.41 8.856 -
附註： ( 1) - ( )
% ( 1)
n n
n
裸船壓差阻力 編號 裸船壓差阻力 編號
差值 裸船壓差阻力 編號
圖 3-26、有自由液面裸船阻力試驗艏艉網格獨立性收斂圖
無自由液面裸船阻力試驗模擬之計算結果如表 3-7，收斂圖如圖 3-27，由表 可知，Mesh-WF2(1.63 百萬網格)與 Mesh-WF3(5.87 百萬網格)之壓差阻力差值小 於 1%，認定達到艏艉流場網格獨立性，因此選用 Mesh-WF2 為無自由液面裸船 阻力試驗模擬之網格設定。
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表 3-7、無自由液面裸船阻力試驗模擬艏艉流場網格獨立性測試 編號 網格測試名稱 網格數(百萬) 裸船壓差阻力(N) 差值%
1 Mesh-WF1 1.27 3.109 1.27%
2 Mesh-WF2 1.63 3.070 0.99%
3 Mesh-WF3 5.87 3.040 -
附註： ( 1) - ( )
% ( 1)
n n
n
裸船壓差阻力 編號 裸船壓差阻力 編號
差值 裸船壓差阻力 編號
圖 3-27、無自由液面裸船阻力試驗艏艉網格獨立性收斂圖