基于CFD的船舶阻力性能綜合研究.pdf

1、計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用發(fā)展迅速，它能夠提高船舶設(shè)計(jì)的效率和能力，是富有價(jià)值的研究方向與熱門課題，越來越多的學(xué)者從不同的角度對(duì)此展開進(jìn)一步研究。船體繞流是一種高度復(fù)雜的三維流動(dòng)現(xiàn)象，船體周圍流場中近船體壁面的黏性流動(dòng)已十分復(fù)雜，并且由于自由面的存在、船體自身受外力影響發(fā)生的運(yùn)動(dòng)，都大大增加了問題的復(fù)雜程度。因此在計(jì)入各項(xiàng)外界因素的影響下，對(duì)船體周圍流場內(nèi)流體流動(dòng)的進(jìn)行準(zhǔn)確地?cái)?shù)值模擬具有非常重要的意義。隨著計(jì)算機(jī)與信息處理

2、技術(shù)的發(fā)展、湍流模型的突破、非線性波浪數(shù)字模擬技術(shù)的發(fā)展以及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的運(yùn)用，基于CFD的船舶阻力性能綜合型研究，已經(jīng)具有初步的可行性。
　　本論文在對(duì)國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于船舶阻力計(jì)算預(yù)報(bào)的研究進(jìn)行了較為系統(tǒng)的回顧與總結(jié)的基礎(chǔ)上，基于商業(yè)CFD軟件并經(jīng)二次開發(fā)建立數(shù)值拖曳水池，可以對(duì)航行中的船舶周圍流場流體流動(dòng)進(jìn)行了全面的數(shù)值模擬和阻力計(jì)算研究。通過數(shù)值拖曳水池中漁政船繞流模擬驗(yàn)證了數(shù)值水池在船舶模型尺度阻力預(yù)報(bào)方面的能力，計(jì)算結(jié)果與實(shí)

3、驗(yàn)數(shù)據(jù)比較表明數(shù)值水池中的船體繞流流場模擬計(jì)算結(jié)果合理的，能夠反映船體阻力變化。針對(duì)于模型尺度效應(yīng)引起的層-湍流轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置不同和船體表面粗糙程度對(duì)阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響論文進(jìn)行了有益探討。船模實(shí)驗(yàn)中由于模型與實(shí)船尺度不同，導(dǎo)致物理拖曳水池中模型船首需要加裝激流絲，CFD模擬計(jì)算驗(yàn)證表明不需要另外考慮這一問題，另外CFD也很好地模擬了船體表面粗糙度增加對(duì)摩擦阻力的影響。
　　通過對(duì)數(shù)值拖曳水池中“船模阻力試驗(yàn)”獲得的航行船體黏性阻力和興

4、波阻力等成分分析、與物理試驗(yàn)的相應(yīng)阻力成分比較以及阻力預(yù)報(bào)的分析和討論，筆者將三因次船體阻力預(yù)報(bào)方法與CFD數(shù)值模擬手段進(jìn)行了有效地結(jié)合，提出了基于CFD數(shù)值模擬計(jì)算的一種快速預(yù)報(bào)實(shí)船阻力的新預(yù)報(bào)方法。即在模型尺度下船體黏性阻力采用湍流黏性理論模擬計(jì)算疊模模型獲得，并給出用于阻力預(yù)報(bào)的換算形狀因子1+k，在理想流體理論范疇下直接求解Euler方程以獲得船體的興波阻力，并基于三因次船體阻力預(yù)報(bào)方法綜合成為船體的總阻力。該方法合理地整合和利

5、用了CFD理論和計(jì)算手段，綜合考慮了自由表面的非線性、水的黏性以及船體復(fù)雜的三維曲面，可以捕捉到準(zhǔn)確的自由面形狀。無論是湍流黏性理論還是理想流體模型計(jì)算，其計(jì)算模擬時(shí)間都比較短，易于在普通PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)。論文通過S60船型與KCS船型的理論計(jì)算與預(yù)報(bào)，以及和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較研究，表明該方法計(jì)算速度快，經(jīng)濟(jì)性好，預(yù)報(bào)精度滿足工程需要，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。
　　對(duì)于高速航行的船舶，由于船體航行姿態(tài)變化明顯，以該吃水下設(shè)計(jì)浮態(tài)為基準(zhǔn)的阻力計(jì)

6、算結(jié)果并不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)其實(shí)際航行阻力。論文針對(duì)高速行駛下船舶的興波問題，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于動(dòng)力學(xué)平衡預(yù)報(bào)船體航行時(shí)姿態(tài)變化和阻力計(jì)算。在迭代過程中，CFD求解器通過實(shí)時(shí)計(jì)算每一時(shí)刻船體所受外力，對(duì)船體的下坐與縱傾運(yùn)動(dòng)進(jìn)行更新，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。為了改善整個(gè)計(jì)算過程的穩(wěn)定性與收斂性，本論文在船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算中采用松弛法，對(duì)船體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行迭代修正。該方法在數(shù)值計(jì)算過程中經(jīng)過驗(yàn)證，具有良好的收斂性與穩(wěn)定性。實(shí)踐證明，該方法適用的傅汝德數(shù)范圍

7、廣泛，即使是在高航速時(shí)下仍然能夠避免網(wǎng)格扭曲與計(jì)算發(fā)散等問題，證明其具有很好的實(shí)際工程價(jià)值。該方法充分考慮了船體姿態(tài)的影響，對(duì)高速船的興波阻力計(jì)算預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確。
　　作為一種幾年來備受關(guān)注的新船型，多體船的水動(dòng)力性能獨(dú)具特色，某些研究方法不能直接擴(kuò)展至多體船的水動(dòng)力性能研究。本論文利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)某多體船進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)考慮船體姿態(tài)變化的自由模型與不考慮姿態(tài)變化的約束模型的壓力、波形等方面的對(duì)比，探討了多體船船體姿態(tài)對(duì)船體水動(dòng)