船舶與海洋工程畢業(yè)設計小水線面雙體船阻力計算

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文檔簡介

1、　　本科畢業(yè)論文　?。?0 屆）　　小水線面雙體船阻力計算　　所在學院 　　專業(yè)班級船舶與海洋工程

2、 　　學生姓名學號 　　指導教師職稱 　　完成日期年月 　　目錄

3、　　摘要1　　[Abstract]2　　1前言3　　1.1課題的目的與意義3　　1.2小水線面雙體船的現狀與發(fā)展3

4、1.3 CFD研究4　　1.4 FLUENT的簡介5　　1.4.1程序結構：5　　1.4.2 FLUENT 程序可以求解的問題6　　1.5本設計的主要研究內容7　　2. 基本理論7

5、　　2.1 FLUENT基本思路7　　2.2 FLUENT分析流程8　　2. 3邊界條件9　　2.4 SIMPLE算法10　　2. 5網格生成技術11　　3雙體船實船數值模擬

6、12　　3.1引言：12　　3.2計算模型與坐標系13　　3.3計算域16　　3.4網格劃分17　　3.5 邊界條件19

7、　　3.6 模型設定19　　3.7 求解設定與計算19　　3.8計算結果與分析28　　總結36　　[參考文獻]37<b&

8、gt;　　致謝38　　外文翻譯39　　摘要　　最近幾年我國船舶產業(yè)高速發(fā)展，快速性是船舶性能重要的一塊，通過對船體的線型進行優(yōu)化，將可以有效的減少船舶在航行中的阻力，這樣不僅節(jié)省了燃油，也提高了貨運效率。<

9、;/p>　　這次設計采用目前廣泛應用的商業(yè)計算流體力學通用軟件GAMBIT來建小水線面雙體船的船體模型，并用FLUEN計算在同航速下船舶的阻力。本次是計算船舶在20節(jié)航速下的阻力。幷對計算結果進行分析，如：船體表面壓力、船體周圍自由液面、船舵處壓力、船舯處壓力、船艏處壓力、船前均勻來流壓力、船舯剖面壓力、橫剖面壓力分、計算域底部壓力、船底處壓力、空氣層處壓力、船體表面流線和船艏速度矢量?？烧f明FLUENT對具

10、有自由面的雙體船船模的粘性流場模擬和阻力計算是可行的，從而保證了后續(xù)的粘性流場數值模擬和船模阻力計算的可靠性。　　[關鍵詞] FLUENT；數值模擬；船舶阻力；雙體船　　Resistance Computation of a Trawler Based on FLUENT　　[Abstract] In recen

11、t years China's shipbuilding industry is developing. Fast sex is an important piece of ship performance. Line through the optimization of the hull would be able to effectively reduce the resistance in sailing ships.

12、This can not be only saves fuel, but also improve freight efficiency.　　The design uses the widely used commercial CFD software GAMBIT to build SWATH ship hull model of the body and at the same speed

13、with the FLUENT calculation of the resistance of the ships. This is calculated under the ship at 20 knots the resistance. Such as: Pressure hul, Free surface around the hull, Rudder at the pressure, Ministry of pressure

14、amidships, Bow at the pressure, Pressure of a uniform stream before the ship, Midship section pressure, Cross section the pressure points, Pressure on t　　[Key Words] FLUENT; numerical simulation; shi

15、p resistance; SWATH catamaran　　1前言　　1.1課題的目的與意義　　船舶是一個對國民經濟發(fā)展及實現現代化具有十分重要意義的工程領域。造船作為一個勞動力密集型產業(yè)，在當今社會中的地位，相當重要，不僅與水上運輸、漁業(yè)等息息相關，與鋼鐵產業(yè)更是密不可分

16、[1]。為近年來，隨著船舶產業(yè)的不斷發(fā)展，以及原油價格的不斷上漲，為了確保經濟效益，船的性能的研究顯得越來越迫切。小水線面雙體船,以深置水下的雙下潛體、小水線面的雙支柱和寬敞的上船體三部分組成。它的特點是由于水線面比單、雙體船都小很多,受波浪擾動小,所以擁有優(yōu)良的耐波性, 能平穩(wěn)執(zhí)行海上作業(yè),人員暈船率低, 適于全海候 , 堅持高出勤率;波浪中失速小,能在惡劣海情下保持高航速,各種航速下運動響應平緩, 適于在復雜海情下工作,上可

17、起降直升機, 下可收放深潛器、工作艇; 在相對小的排水量下,甲板面積及有效艙容寬敞,利于總體布局,適于承擔海上特種作業(yè); 操縱性良好, 利于安全實施海上靠舷登船;生存能力較強,正常與破損穩(wěn)性較高;船體表現外形簡單, 通常是二線曲面,建造工藝沒難度,而且適宜采用電磁波和水聲隱身結構, 提高全船隱蔽性。但船體結構復雜,重量比相當排水量的單體常規(guī)船大;載重量變化使吃水變化十分敏感;雙體　　1.2小水線

18、面雙體船的現狀與發(fā)展　　小水線面雙體船的概念早在1905年以前就已被提出。但直到1973年才在美國建成世界上第一首SWATHA“Kaimalino”號。隨后日本和歐洲一些國家也相繼開發(fā)出SWATH船。例如，日本開發(fā)的有”Marine Ace”號(18t,試驗船)，“Mesa 80”號（350t，旅客渡船），”Kotozaki”號和Ohtori號（排水量分別為236t和239t，均為水文調查船）。

19、我國在70年代后期開始SWATH船的研究工作[3][4][5][6][7]。2000年在汕頭船廠建成我國第一艘SWATH船，排水量為200t，主要取其耐波性好，航行平穩(wěn)的優(yōu)點，設計航速不很高。　　因為SWATH船的滿載吃水線以下船體表面積比相同排水量的單體船大65%-80%。所以在相等的航速下，SWATH船的摩擦阻力比單體船大得多。這意這以為著當SWATH船低速航行時，其阻力性能比單體船差很多

20、。只有高速航行時，由于興波阻力小，其阻力性能才好于單體船。因此，SWATH船的海上航速一般設計得較高。　　SWATH船的航行水阻力隨船速增加而增加 ,但在波浪中航行的阻力與在靜水中航行的阻力相差很小。說明SWATH船在波浪中失速小 ,這一點與單體船有很大不同。　　SWATH船的推進效率比單體船高 10%一 50%[3]。主要有兩個原因：一是主體是比較規(guī)則

21、的細長體 ,在尾部螺旋槳處的伴流既均勻又比較豐滿 ,有助于船身效率的提高;二是螺旋槳沉深比較大 ,可以選用推進效率較高　　大直徑低轉速螺旋槳。　　1.3 CFD研究　　船舶的水動力和所受阻力是船舶性能研究和船型優(yōu)化設計的重要內容之一。以往采用模型試驗研究，雖然可靠，但是設計

22、周期長，資金投入大，且不便于改進設計。伴隨著計算機技術的迅速崛起和發(fā)展，船舶的水動力性能（快速性、適航性、操縱性）是由繞船的流場特性而決定，從理論上講通過求解描述流場特性的流體動力學方程就能對相應的水動力性能做出預報。然而，由于自由面的存在、船體幾何形狀復雜（特別是船尾）、附體較多，導致自由面水波、流體分離、漩渦等現象的出現，使得流場中的流動結構很復雜，即使有了描述流動過程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，長期以來船模試驗便成了研究

23、船舶周圍流場特性的一個必不可少的手段。然而，船模試驗不僅周期長、費用高、很難得到詳細的局部流場信息，同時應為尺度效應，船模實際上并不能真實地再現實船的流動情況，很大的局限性。新的水動力性能預報手段的引入已十分必要。　　計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是在計算機上求解描述流體運動、傳熱和傳質的偏微分方程組，并對上述現象進行過程模擬。用他來進行流

24、體力學的基礎研究，其主要優(yōu)點是能以較少的費用和較短的時間來獲得大量有價值的研究結果。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，數值方法不斷改進，CFD的計算精度不斷提高以至滿足工程實用要求逐漸成為可能，正成為研究船舶水動力性能的一種新的、快速而經濟的重要工具。較為成功的應用實例是耐波性的計算方程的普及，升力線、升力面理論已取代了螺旋槳圖譜設計。船舶阻力的CFD計算盡管存在自由表面、高雷諾數等多種難題，最近30年來通過人們不懈的努力，從勢流理論線性計算到

25、非線性計算，從理想流體到粘性流體，從薄邊界層到全NS方程的求解，直至考慮自由面NS方程的求解，CFD方法在計算能力和實用方面都發(fā)生了深刻的變化。過去只是在大學和研究所機構才有的計算方法，如今已有很多商業(yè)化的CFD軟件可以應用。不過，就我國現在的CFD軟件開發(fā)水平和能力而言，借助國外成熟的商業(yè)CFD通用軟件進行船舶的粘性繞流模擬和水動力研究，應該是一種比較簡便經濟的方法。目前，國　　1.4 FLU

26、ENT的簡介　　FLUENT是用于計算流體流動和傳熱問題的程序。他提供的非結構網格生成程序，對相對復雜的幾何結構網格生成非常有效?？梢陨傻木W格包括二維的三角形和四邊形網格;三維的四面體、六面體及混合網格。FLUENT還可以根據計算結果調整網格，這種網絡的自適應能力對于精確求解有較大梯度的流暢很有實際的作用。由于網格自適應和調整只是在需要加密的流動區(qū)域里實施，而非整個流場，因此可以節(jié)約計算時間。

27、[10]　　1.4.1程序結構：　?。?）GAMBIT–用于建立幾何結構和網格生產　　GAMBIT，作為FLUENT的前處理軟件，可以生成用于CFD數值模擬和計算的網格模型，并且它所生成的網格模型還可以供多種CFD程序或商業(yè)CFD軟件所使用。GAMBIT的主要功能包括三個方面:構建幾何模型、劃分網格和設定定界，其

28、中劃分網格是其最主要的一項功能。它最終將生成可以導入多種CFD程序或商業(yè)CFD軟件的網格模型文件。在使用GAMBIT進行幾何建模時，對于模型幾何形狀不太復雜的問題，一般可以直接在GAMBIT中完成幾何建模。但對于復雜模型的CFD問題，特別是三維問題，GAMBIT不是很有效，所以需要借助專用的CAD軟件來幫助完成幾何建模。GAMBIT可以導入多種類型的CAD軟件或前處理軟件所生成的幾何模型，能夠導入的幾何模型文件類型包括ACIS, Pa

29、rasolid, IGES和STEP等格式。GAMBIT具有靈活的幾何模型修正功能，當從接口導入模型時，會自動合并重合的點、線、面，在保證原始幾何精度的基礎上通過虛擬幾何自動縫合小縫隙，這樣既保證了幾何精度，又滿足了網格劃分的需要。　　GAMBIT具有較強的網格劃分能力，它提供了多種網格單元，可以根據用戶的需要生成二維的三角形和四邊形網格，三維的四面體、六面體及混合網格等多種類型的網格，它具有良

30、好的自適應功能，可以對網格進行細化與粗化或生成不連續(xù)網格、可變網格和滑移網格。GAMBIT中的Tgrid方法可以在極其復雜的幾何區(qū)域中劃分出與相鄰區(qū)域網格連續(xù)的完全非結構網格。在GAMBIT中，網格生成以后，還可以對模型進行邊界的設置，以便為后續(xù)進行CFD模擬時輸入邊界條件。GAMBIT可以生成FLUENT, FDIAP,POLYFLOW等求解器所需要的網格文件。　?。?）FLUENT-用于進行

31、流動模擬計算的求解器　　FLUENT是用于模擬具有復雜外形的流體流動以及熱傳導的計算機程序。它提供了完全的網格靈活性，你可以使用非結構網格，例如二維三角形或四邊形網格、三維四面體/六面體/金字塔形網格來解決具有復雜外形的流動。甚至可以用混合型非結構網格。它允許你根據解的具體情況對網格進行修改（細化/粗化）。　　對于大梯度區(qū)域，如自由剪切層和邊界層，為了非

32、常準確的預測流動，自適應網格是非常有用的。與結構網格和塊結構網格相比，這一特點很明顯地減少了產生“好”網格所需要的時間。對于給定精度，解適應細化方法使網格細化方法變得很簡單，并且減少了計算量。其原因在于：網格細化僅限于那些需要更多網格的解域。　　FLUENT是用C語言寫的，因此具有很大的靈活性與能力。因此，動態(tài)內存分配，高效數據結構，靈活的解控制都是可能的。除此之外，為了高效的執(zhí)行，交互的控制，

33、以及靈活的適應各種機器與操作系統，FLUENT使用client/server結構，因此它允許同時在用戶桌面工作站和強有力的服務器上分離地運行程序。　　在FLUENT中，解的計算與顯示可以通過交互界面，菜單界面來完成。用戶界面是通過Scheme語言及LISP dialect寫就的。高級用戶可以通過寫菜單宏及菜單函數自定義及優(yōu)化界面。　　FLUENT采用非結

34、構網格以縮短產生網格所需要的時間，簡化了幾何外形的模擬以及網格產生過程。和傳統的多塊結構網格相比，它可以模擬具有更為復雜幾何結構的流場，并且具有使網格適應流場的特點。FLUENT也能夠使用適體網格，塊結構網格(比如：FLUENT 4和許多其它的CFD結算器的網格)。FLUENT可以在2D流動中處理三角形網格和四邊形網格，在3D流動中可以處理四面體網格，六邊形網格，金字塔網格以及楔形網格（或者上述網格的混合）。這種靈活處理網格的特點使我們

35、在選擇網格類型時，可以確定最適合特定應用的網格拓撲結構。 　　利用FLUENT軟件進行流體的流動和傳熱計算的模擬計算的流程一般是，首先利用GAMBIT進行流動區(qū)域幾何形狀的構建、定義邊界類型和生成網格，然后將GAMBIT中的網格文件輸出用于FLUENT求解器計算的格式，在FLUENT 中讀取所輸出的文件并設置條件對流動區(qū)域進行求解計算，最后對計算的結果進行后處理。<

36、p>　　1.4.2 FLUENT 程序可以求解的問題　　FLUENT 可以求解計算二維和三維問題，在計算過程中，網格可以自適應調整。fluent軟件的應用范圍非常廣泛，主要范圍如下：　　(1)可壓縮與不可壓縮流動問題。　　(3)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問題。　　(4)無黏流，

37、層流及湍流問題。 　　(5)牛頓流體及非牛頓流體。　　(6)導熱與對流換熱耦合問題。　　(7)輻射換熱。　　(8)慣性坐標系和非慣性坐標系下的流動問題模擬。 　　(9)用Lagrangian

38、軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）。　　(10)一維風扇、熱交換器性能計算。　　(11)兩相流問題。　　(12)復雜表面形狀下的自由面流動問題。[11]　　1.5本設計的主要研究內容　　本設計主要是利用FLUENT軟件，用

39、GAMBIT建模設置計算域畫網格，最終msh格式導出。通過FLUENT計算船體阻力。　　2. 基本理論　　2.1 FLUENT基本思路　　利用GAMBIT產生所需的幾何結構以及網格，也可以在已知邊界網格中用Tgrid產生三角網格，四面體網格或者混合網格，也可能用其他軟件產生F

40、LUENT所需要的網格，將網格讀入FLUENT，使用解算器進行計算，其中包括，邊界條件的設定，流體物性的設定，解的執(zhí)行，網格的優(yōu)化，結果的查看與后處理。　　a.解決問題的步驟：　　b．創(chuàng)建網格. 　　c．運行合適的解算器：2D、3D、2DDP、3DDP。<b&g

41、t;　　d．輸入網格　　e．檢查網格　　f．選擇解的格式　　g．選擇需要解的基本方程：層流還是湍流（無粘）、化學組分還是化學反應、熱傳導模型等　　h．確定所需要的附加模型：風扇

42、，熱交換，多孔介質等。　　i．指定材料物理性質　　j．指定邊界條件 　　k．調節(jié)解的控制參數　　l．初始化流場　　m．計算解</b

43、>　　n．檢查結果　　o．保存結果 　　p．必要的話，細化網格，改變數值和物理模型。　　第一步需要幾何結構的模型以及網格生成。你可以使用GAMBIT或者一個分離的CAD系統產生幾何結構模型及

44、網格。也可以用Tgrid從已有的面網格中產生體網格。你也可以從相關的CAD軟件包生成體網格，然后讀入到Tgrid或者FLUENT　　表2-1： FLUENT菜單概述　　2.2 FLUENT分析流程　　當你決定使FLUENT解決某一問題時，首先要考慮如下幾點問題：定義模型目標：從CFD模型中需要得到什么樣的結果？

45、從模型中需要得到什么樣的精度；選擇計算模型：你將如何隔絕所需要模擬的物理系統，計算區(qū)域的起點和終點是什么？在模型的邊界處使用什么樣的邊界條件？二維問題還是三維問題？什么樣的網格拓撲結構適合解決問題？物理模型的選?。簾o粘，層流還湍流？定常還是非定常？可壓流還是不可壓流？是否需要應用其它的物理模型？確定解的程序：問題可否簡化？是否使用缺省的解的格式與參數值？采用哪種解格式可以加速收斂？使用多重網格計算機的內存是否夠用？得到收斂解需要多久的時

46、間？在使用CFD分析之前詳細考慮這些問題，對你的模擬來說是很有意義的。當你計劃一個CFD工程時，請利用提供給FLUENT使用者的技術支持[12]。　　在建立控制方程組后，可將其離散成線性代數方程組進行求解。為了構造定解問題，必須知道相關變量的邊界條件。最常見的邊界條件有兩大類:　　用前處理器GAMBIT建立模型，用FLUENT求解器進行模擬和求解一般遵循

47、下面的基本步驟:　　(1)在GAMBIT中構建幾何模型或者導入其它CAD軟件生成的幾何模型。　　(2)在GAMBIT中劃分網格，建立網格模型。　　(3)在GAMBIT中指定網格模型的邊界類型和區(qū)域類型，然后導出用于FLUENT求解器模擬計算的文件類型。　　(4)啟動FLU

48、ENT求解器，導入GAMBIT生成的網格模型并檢查模型的網格是否存在問題。　　(5)選擇運行環(huán)境，確定求解基本方程，即是否考慮粘性，是否存在多相流，是否考慮熱交換等問題。　　(6)選擇材料和設定材料相關物理特性，包括材料的密度、動力粘性系數等。　　(7)根據模擬要求設定邊界條件，也可以根據需要對使用GAMBIT時

49、定義過的模型邊界類型進行修改。　　(8)根據計算要求設定求解的有關設置，包括算法的選擇、差值格式的確定、控制參數的設置等等。　　(9)對流場進行初始化，確定計算起始位置，準備計算。　　(10)設置相關信息的監(jiān)控，如殘差圖和物體固面受力報告圖等，進行求解計算。　　(11)顯

50、示檢查求解結果。如果流場中的所有單元在一個指定的容差范圍內都遵守給定的離散守恒方程，繼續(xù)迭代時結果不再發(fā)生明顯變化，所有的指標都達到要求，那么就可以認為計算結果達到了所需要的收斂要求。　　(12)保存求解結果，進行后處理。　　(13)如果必要，還可以修改網格或計算模型，重復上述過程，進行重新計算。

51、;　　2.3邊界條件　　第一類邊界條件，即Dirichlet條件，描述的是計算區(qū)域的邊界或部分邊界上變量的值。即:　　，在邊界上　　式中，表示某物理量在邊界上的數值。　　第二類邊界條件，即Neumann條件，描述的

52、是邊界上變量梯度的法向分量值。即:　　，在邊界上。　　式中，表示物面的單位外法向矢量,表示給定的在邊界上的法向分量。　　對于船舶粘性繞流來說，初始條件和邊界條件如下:　　(1) 入口邊界條件。入口邊界要取在離船首足夠遠的地方才能反映流

53、動的真實情況。入口處的邊界條件屬于Dirichlet邊界條件:入口處的速度是預先給定的，一般是均勻來流條件，如果均勻來流速度為，則:　?。ü?2.1 ） 　　湍動能k和湍流耗散率也是預先給定的，一般是根據實驗數據得出，或通過有關估算公式給出。　　(2) 出口邊界條件。出口邊界要取在距離船尾足夠遠

54、的地方以消除回流等對流場計算有影響的現象。在出口處，所有變量都滿足Neumann條件。出口處的速度分量由上游推演得到的。在高雷諾數情況下，下游的湍動能k和湍流耗散率取零梯度。即:　　（公式 2.2 ） 　　(3) 對稱邊界條件。在對稱面上，沒有質量、熱量等物理量的交換，因此對稱面上的法向速度為零，即:&

55、lt;p>　　（公式 2.3 ） 　　式中，表示對稱平面的單位法向矢量。　　這里，對稱面在船體的中縱剖面上，因此對稱邊界條件為:　　在對稱面上，k, 的法向梯度也為零，即:　　，

56、（公式 2.4 ）　　(4) 固壁邊界條件。對于粘性流體來說，如果不考慮界面上的表面張力，由于流體的粘性，在界面上流體的速度和固體邊界的速度相等。即，在流體與固體的交界面處流體與固體無相對滑移。　　在固體邊界處，如果固體邊界的速度為，則流動的固壁邊界條件為: 　　（公式 2.5 ）<

57、/p>　　稱之為無滑移條件。　　在這里，固體邊界是靜止不動的，即=0 (0,0,0)，在壁面上，速度和湍動能k滿足無滑移(no-slip)的邊界條件: 　　（公式 2.6 ）　　在靠近固壁面的區(qū)域，湍動能k被強烈地耗減，耗散率達到最大值。在壁面上

58、耗散率不為零，不能顯式給出耗散率條件。　　2.4 SIMPLE算法　　流場計算的基本過程是在空間上用有限體積法或類似方法將計算域離散成許多小的體積單元，在每個體積單元上對離散后的控制方程組進行求解。流場計算方法的本質是對離散后的控制方程組的求解。目前，流場計算的算法主要有SIMPLE ( Semi-Implicit Method Pressure-Li

59、nked Equations)算法、SIMPLER ( SIMPLE Revised)算法、SIMPLEC ( SIMPLE Consistent)算法、PISO ( Pressure Implicit with Splitting of Operators)算法。　　SIMPLE算法，即:求解壓力禍合方程組的半隱式方法。該方法由Patankar與Spalding于1972年提出，是一種主要用于

60、求解不可壓流場的數值方法，也可用于求解可壓流動。它的核心是采用“猜測一修正”的過程，在交錯網格的基礎上來計算壓力場，從而達到求解動量方程—Navier-Stokes方程的目的。SIMPLE方法的基本思想是:對于給定的壓力場(它可以是假定的值或者是上一次迭代計算所得到的結果)，求解離散形式的動量方程，得出速度場。因為壓力場是假定的或不精確的，由此得到的速度場一般是不滿足連續(xù)方程的，因此，必須對給定的壓力場加以修正。修正的原則是:與修正后的

61、壓力場相對應的速度場能滿足這一迭代層次上的連續(xù)方程。據此原則，我們把由動量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關系代入連續(xù)方程的離散形式，從而得到壓力修正項，由壓力修正方程得出壓力修正值。接著根據修正后的壓力場，求解的新的速度場。然后檢查速度場是否收斂，若不收斂，用修正后的壓力值作為給定的壓力場，開始下一層次的計算，如此反復，直到獲得收斂的解。　　2. 5網格生成技術<

62、;p>　　網格劃分是建立計算模型中很重要的一部分，網格劃分的好壞不僅決定了能否得到正確的數值解，還決定了求解時間的長短。需要在建好流體控制域后，才可以進行網格劃分。劃分網格是建立計算模型中難度最大的部分。在GAMBIT中，網格分為結構和非結構網格兩大類，網格生成提供了多種技術，讓用戶可以使用結構網格和非結構網格(包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網格等)來解決具有復雜外形的流動問題，甚至可以使用混合型非結構網格。其中，由

63、于非結構網格有著極好的自適應性，所以對于具有復雜邊界的流場計算問題，采用非結構網格是非常有效的，一般是通過專門的程序或軟件來生成的。網格區(qū)域分為單連域和多連域。繞流流動問題都屬于多連域問題。本文中涉及到的船體繞流，是典型的多連域問題。由于船模線型比較復雜，導致計算模型的邊界復雜，故采用了非結構化網格。　　非結構網格技術“是在上個世紀80年代末90年代初得到迅速發(fā)展的。非結構網格的基本思想是基于如

64、下假設:四面體是實三維空間最簡單的形狀，任何空間區(qū)域都可以被四面體單元所填充，即:任何空間區(qū)域都可以被以四面體為單元的網格所劃分。非結構網格由三角形(二維)或四面體(三維)網格單元組成。非結構網格舍去了網格節(jié)點的結構性限制，易于控制網格單元的大小、形狀，即網格點的位置，因此比結構網格更靈活，對復雜外形的適應能力非常強;對于結構網格，在計算域內網格線和網格面應保持連續(xù)，并正交于物體邊界和相鄰的網格線和面，而非結構網格沒有此限制;且其網格中

65、一個點周圍的點數和單元數都不是固定的，因而可以方便地作自適應計算，合理分布網格疏密，提高計算精度。同時，非結構網格也存在著內存要求大、流場計算需要更多CPU時間、不易應用多重網格技術等缺點。結構和非結構網格互補的優(yōu)缺點推動了結構/非結構雜交網格的出現。生成非結構網格的方法可歸結為兩大類，即Delaunay三角化法和推進陣面法。　　網格的合理布置和適當加密對于提高計算精度和分辨局部流動細節(jié)至關重要

66、，網格生成的好壞將直接影響到模擬和計算結果的優(yōu)劣。生成網格一般要遵循下面的幾點原則:　　(1)網格離散盡量簡單，生成的網格要便于組成高效、節(jié)約的數據結構這樣可以方便計算。　　(2)網格線盡量正交，曲線盡量光滑，不要過分扭曲。網格線要與流動方向一致，有利于減少假擴散誤差;若事先不能知道流動方向，那么在計算時應根據實際流動更新網格，使之滿足要求。</p

67、>　　(3)網格離散盡量貼體。只要網格節(jié)點不貼在物體表面上，物面邊界條件便要使用插值方法而產生誤差，流場內各點參數值都依賴于邊界參數值，故相應都有了誤差。當物面參數變化劇烈，或流動參數對物面形狀很敏感時，引起的誤差將會很大。　　(4)網格分布稀疏合理，過渡自然。　　3雙體船實船數值模擬

68、　　3.1引言：　　船船舶在靜水中運動時，必然會受到一個相反與運動方向的阻力，我們稱之為船舶阻力，它包括水和空氣的反作用力。由于水的粘性作用，邊界層在船尾部的排擠厚度大，從而使船體前后部分存在壓力差，同時，在船體曲率驟變的地方，特別是船尾處，水的粘性作用會產生旋渦，從而也改變了船體表面的壓力分布情況，這兩部分壓力分布的變化，合起來便形成一個首尾壓力差，稱為粘

69、壓阻力。在考慮自由表面的情況下，船在靜水中運動的過程中將興起波浪，波浪的產生，將改變船體表面的壓力分布情況，在船首部的波峰使船首部壓力增加，而在船尾部的波谷使船尾部的壓力降低，于是產生了首尾流體動壓力差，進而產生了興波阻力。　　當船舶在不同的海域，以不同的速度航行時，其阻力也不同，當船舶航速V較小時，船體興波作用較小，由于水的粘性作用產生的粘性阻力，特別是摩擦阻力，占總阻力的絕大部分，而興波阻力

70、成分只占很小的比例。當船體航速V較大時，其興波作用將十分顯著，興波阻力將占總阻力的很大比例，此時船波相當復雜，使得興波干擾情況也比較復雜，其中可能是使興波阻力減小的有利干擾，也可能是使興波阻力增加的不利干擾。此時就無法精確的計算出船舶的阻力。　　FLUENT作為一種新興的手段，正是可以通過數值計算來準確模擬流場，預報船體阻力的數值，才會在國內外都得到廣泛的研發(fā)和應用，將對船舶的水動力研究和船型優(yōu)

71、化設計具有重大實際意義。　　本設計采用FLUENT遵循以下步驟，來計算某速度下漁船的阻力值。首先，在GAMBIT中構建幾何模型或者導入其它CAD軟件生成的幾何模型。劃分網格，建立網格模型，指定網格模型的邊界類型和區(qū)域類型，然后導出用于FLUENT求解器模擬計算的文件類型。啟動FLUENT求解器，導入GAMBIT生成的網格模型并檢查模型的網格是否存在問題。選擇運行環(huán)境，確定求解基本方程，即是否考慮

72、粘性，是否存在多相流，是否考慮熱交換等問題。選擇材料和設定材料相關物理特性，包括材料的密度、動力粘性系數等。根據模擬要求設定邊界條件，也可以根據需要對使用GAMBIT時定義過的模型邊界類型進行修改。根據計算要求設定求解的有關設置，包括算法的選擇、差值格式的確定、控制參數的設置等等。對流場進行初始化，確定計算起始位置，準備計算。設置相關信息的監(jiān)控，如殘差圖和物體固面受力報告圖等，進行求解計算。顯示檢查求解結果。如果流場中的所有單元在一個指

73、定的容差范圍內都遵守給定的離散守恒方程，繼續(xù)迭代時結果不再發(fā)生明顯變化，所有的指標都達到要求，那么就可以認為計算結果達到了所需要的收斂要求。保存求解結果，進行后處理。如果必要，還可以修改網格　　本章主要是對按試驗油船船模進行流場模擬和阻力計算。下面將詳細介紹船體模型的建模過程、數值模擬計算的設定和對模擬情況與計算結果的比較分析　　3.2計算模型與坐標系&

74、lt;/p>　　這次畢業(yè)設計是一艘雙體船,實船的主要船型參數如下表所示。　　表3-1 實船主要參數　　本設計才用的是Gambit中曲面生成方法：　　根據修改后的型值，形成x,y,z的點格式，如下：　　表3-2修改后的型值表

75、　　用TXT格式直接導入Gambit中，有點生成線，在曲率變化大的地方需要增加點數目。如下：　　圖3-1：GAMBIT中生成的點圖　　由點生面　　圖3-2：GAMBIT中生成的線圖　?。?）由線生

76、面　　圖3-3：GAMBIT中生成的線圖未鏡像　　圖3-4：GAMBIT中生成的線圖鏡像后　?。?）由面生體圖　　圖3-5：GAMBIT中生成的體圖　　3

77、.3計算域　　計算域：取1/2流場進行計算，整個計算域呈四分之一圓柱，取三個船長的長度；船側和深度方向各取一個船長。考慮自由液面的影響，所以空氣層的高度為設計水線高。　　由于船的左右對稱性，本設計取左舷進行計算，取右手坐標系O-XYZ，坐標原點O位于船艉槳軸處，X軸指向船首為正，Z軸垂直向上為正。<p&g

78、t;　　計算域的創(chuàng)建按照下面的實例來進行：　　(1)：把坐標系統的原點創(chuàng)建在船艉槳軸處　　導入的船模與坐標系統會有一些偏差。在這一步，要在坐標系統的原點位置創(chuàng)建一個點，利用這個點來連接船模與坐標系統的原點。做這些工作可以方便以后創(chuàng)建的流體計算域所用到的體積劃分操作　　(2)：創(chuàng)建一個流體計算域

79、　　在這個步驟中，創(chuàng)建一個圍繞船模的四分之一圓形，并且移動該四分之一圓形使其中的一個面能在船體的z-x平面上，然后對四分之一圓形和船模進行布爾操作，從而創(chuàng)建了一個流體計算域，下圖為創(chuàng)建的計算域：　　圖3-6：船模的計算域　　3.4網格劃分　　網格的劃分按

80、照下面的步驟進行：　　(1)：分割船模表面　　創(chuàng)建一個水平面，將它移到水線處并分割船體表面，做這個面可以克服船殼曲面網格耦合的困難　　(2)：改變尺度函數中的默認的網格厚度　　前面已經完成了船模和流體計算域的建立，這一步就是要修改尺度函數中的默認的網格厚度，該值應適當改大

81、，從而更好地創(chuàng)建一個高質量的網格，在這里把默認值16改為250，　　(3)：將尺度函數運用在船體　　在這一步中要在船體處定義一個Curvature類型的尺度函數，這中類型的函數對劃分曲度較大的面網格很有用　　(4)：船體表面的網格劃分　　船體部分采用非結構性的三角形網格，

82、其他部分采用結構四邊形　　(5)：設置邊界層的角度參數　　在對稱面處的船首會形成一個很大的角度，這個角度會給在船體上設置三維邊界層時帶來很大的不便。為了避免這些不便，可以通過修改控制角度的參數，修改值應盡量比默認值大些，在這里把默認值120改為350，　　(6)：邊界層網格的創(chuàng)建<p

83、>　　這一步主要是建立邊界層網格，計算流體力學有個規(guī)定：在劃分網格時，第一層的網格要求足夠密，所以可以通過采用建立邊界層網格的方法來保證　　(7)：查看三維邊界層　　GAMBIT包含一個函數可以自動劃分并顯示三維邊界層區(qū)域，因此可以在劃分整個流體計算域之前查看這個區(qū)域的網格　　(8)：劃分流體計算域的網格&

84、lt;/p>　　劃分流體計算域采用四面體的網格劃分方式。GAMBIT在邊界層上定義了一個網狀尺度函數，該函數能使網格從邊界層外表面一直延伸至整個流體計算域　　(9)：檢查網格的質量　　經過網格檢查，不存在扭曲的元素，網格質量比較好。下圖為GAMBIT中船體網格　　圖3-7：GAMBIT

85、中生成的船體網格　　圖3-8：GAMBIT中生成的船體網格　　圖3-9：GAMBIT中生成的船體網格　　在本次設計當中，所劃分的網格數量是34萬個。網格劃分越細，網格數量越多最后計算結果越精確，不過計算量大。相對本船模來講34萬個網格還比較合理的。　　3

86、.5 邊界條件　　本設計首先在GAMBIT進行邊界條件的初步設定，然后在FLUENT解算器中再進行具體設定，在GAMBIT中，從Solver命令中選擇求解器名稱FLUENTS/6，這樣GAMBIT將會提供FLUENT5/6所具有的邊界類型。然后就可以根據具體情況為計算模型進行合適的邊界條件設定。考慮到自由表面問題，將控制域的入口和出口分別分成空氣入口、水入口和空氣出口、水出口

87、。根據計算模型的坐標可知，來流方向指向X軸負方向，這里研究的船舶繞流視為不可壓縮流動問題，所以將來流的入口設為速度入口(velocity inlet)，該邊界條件專門用于不可壓流動。在FLUENT中，需給定入口邊界上的速度及其它相關標量值，本文需要設定來流速度的大小、方向及湍流參數等。一般假定在出口處來流未受到船體的擾動影響，從而在出口處也為給定來流的速度分布。但實際上，在控制域出口處的邊界條件是未知的情形，而將控制域出口設定為自由出流

88、邊界(outflow)。在FLUENT中，該邊界條件不需要給定出口條件，出口條件是通過FLUENT內部計算得到的。將船模的中縱剖面所在平面，即控制域的對稱面，設定為對稱邊界(symmetry)。在對稱　　3.6 模型設定 　　邊界條件設定完畢后，完整的計算模型就建好了，可以保存相關文件和導出具有邊界條件設定的網格模型

89、文件，以便供求解器讀取，進行數值計算。　　打開FLUENT，選擇3d，進入到控制臺窗口，將網格模型文件導入，;然后，對網格質量進行檢查，尤其要避免出現負體積網格等問題。在網格符合要求的情況下，就可以開始設定求解器的工作模式。　　因此，本文僅需要直接從FLUENT材料數據庫中選用液態(tài)水(water-liquid )，在溫度為20℃時，其密度為998.2kg

90、/m3，動力粘性系數為0.000103Pa}S，當然也可以根據需要改變有關物理參數。在VOF方案(VOF Scheme)中選擇幾何重構(Geo-Reconstruct ) 。設置運行環(huán)境時要考慮重力和使用默認參考壓力，即標準大氣壓。對邊界條件設定進行修改和進一步的參數設置時，對于本文來說，主要就是設置入口的來流速度1，湍流參數為默認值。　　3.7 求解設定與計算<p

91、>　　在設置求解參數時，本設計選擇SIMPLE算法進行壓力和速度禍合，全部插值格式為二階迎風格式。由于在求解計算過程中，湍流粘度比的值容易超出FLUENT默認的最大值，導致計算無法進行，所以需要將求解限定項中的最大湍流粘度比的值調大。為了使求解結果比較精確，將FLUENT中的收斂殘差限調整到一個較小的值1X。計算中采用了變化的時間步長，每個時間步內迭代計算次數設定為10次，這有利于節(jié)省計算時間，提高計算的效率。

92、　　到目前為止，商業(yè)CFD軟件FLUENT在船舶繞流模擬中的應用還正處于起步階段，因此，在一些模型參數的設定上采用的都是FLUENT的默認設置，而這些默認值是否恰當還有待大量的計算研究分析。完成所有的相關設定以后，就可以用入口的流動初始條件初始化整個流場的解和進行求解計算了。在求解計算的過程中，可以通過檢查變量的殘差、統計值、力的收斂趨勢等，如以下圖所示，這些是在FLUENT計算前期的一些邊界條件的設置和阻力監(jiān)測的

93、圖片，隨時動態(tài)地監(jiān)視計算的收斂性和當前計算結果。　　啟動FLUENT，進入3D模式 　　操作：開始-程序-fluent-3d run　　讀入3D網格文件sheji.msh 操作file-read-case…　　網格檢查</p&g

94、t;　　操作Grid-check　　建立求解模型（保持Solver求解器設置不變）　　操作 Define-Models-Solver..　　設置標準K-湍流模型　　操作Define-Models-viscous..<p&

95、gt;　　設置流體的物理屬性　　操作 Define-Materials..　　點擊Fluent Database　　設置壓力參考點　　阻力設置</p&g

96、t;　　水線面設置Surface--Iso-surface 　　操作在surface of constant欄選擇如下圖　　設置邊界條件　　操作Define-Boundary Conditions.. 　　設置冷

97、水口邊界條件：在Zone欄中選擇air in,則在右邊Type欄內顯示其類型為Velocity_inlet.　　點擊SET…則打開“Velocity Inlet”設置對話框如下圖　　出口設置邊界條件在Zone欄內點擊 water-out 在右邊TYPE欄內顯示其類型為outflow到此邊界條件均設置完成<b

98、>　　k.求解控制　　操作Solve-Controls-solution…在Discretization（離散化）下，選擇Momentum(動量、沖量)項的Second Order Upwind;　　選擇Turb lence Kinetic Energy(湍流強度)項的Second Order Upwind;其他不變點擊OK，關

99、閉對話框　　l.求解　　操作Solver-Initialize-Initialize…　　打開Solution Initialization 如下對話框　　存Case文件（guan.cas）

100、　操作File-Write-Case 輸入文件名點擊OK。　　開始進行10000次迭代的計算　　操作Solver-Iterate 在打開的Iterate對畫框中的Number of Iterations欄內輸入10000; 點擊Iterate.　　保存data文件sheji.gz操作File-Write-Auts

101、ave　　在Data File 一欄填入：sheji.gz點擊OK　　圖3-10：殘差圖　　圖3-11：阻力監(jiān)測　　3.8計算結果與分析　　在船舶工程研究中，一般應用無量綱速度參數，常用的主要

102、有傅汝德數和雷諾數。　　傅汝德數的定義為：　　（公式 3.1 ）　　式中：——船速，；　　——船舶水線長或垂線間長，；　　——重力加速度，。</

103、p>　　雷諾數的定義為：　?。ü?3.2 ）　　式中：——航速，；　　——船長，；　　——水的運動粘性系數，。</p&

104、gt;　　摩擦阻力系數是根據1957ITTC公式得出，其公式如下：　?。ü?3.3 ）　　粗糙度補貼系數按照一下公式計算：　?。ü?3.4 ）　　根據本船主尺度情況，設計吃水和壓載吃水時相關補貼（即實船粗糙度補貼）取0.0004.</p

105、>　　實船總阻力系數的取值按照下面公式：　?。ü?3.5 ）　　實船總阻力按照下面公式計算：　?。ü?3.6 ）　　式中：——實船總阻力系數；　　——海水密度，；</b&

106、gt;　　——航速，；　　——船舶濕表面積， 　　船舶有效功率按下式計算：　?。ü?3.7 ）　　式中：——實船總阻力，；

107、——航速，；　　當船長傅汝德數為0.31時，小水線面雙體船船模的船體周圍自由液面形狀、動壓力分布云圖如下圖所示： 　　圖3-12：船體表面壓力云圖　　圖3-13：船體表面壓力云圖　　圖3-14：船體周圍自由液面形狀<p&g

108、t;　　圖3-15：船舵處壓力分布云圖　　由上圖可以看出，舵機處壓力分布比尾部還要小，根據流體力學的原理，水流在螺旋槳處容易形成空泡，導致舵機處水流壓力較小。所以舵機處呈現綠色的一塊區(qū)域。　　圖3-16：船舯處壓力分布云圖　　相比較前面船艉和舵機處的壓力分布圖，我們可以看處，在船舯處壓力比船艉和舵機處都大，主要是

109、因為在船舯處，當波峰或者波谷在船舯的時候，船舶形成中拱或中垂的狀態(tài)，導致船舯處受力比較大。　　圖3-17：船艏處壓力分布云圖　　通過上面的這個圖我們可以看處，在船艏處，船舶壓力比船舯和船艉處大的多，那是因為船體表面壓力主要是由水的粘性壓力和動壓力引起的，在船首，由于船舶需要迎波，因此其破波阻力比較大，導致其首部的壓力比較大。由于船舶要迎波航行，船艏的壓力

110、總是高于其它部位的壓力。　　圖3-18：船前均勻來流壓力分布云圖　　通過圖3-18我們可以看出，在船前來流壓力分布比較均勻，主要是由于在船前，水流的壓力是由自身水壓形成，不受船舶的干擾，所以在圖上，我們看到的是均勻的壓力分布云圖。　　圖3-19：船舯剖面壓力分布云圖　　圖

111、3-20：1500橫剖面壓力分布云圖　　通過上面兩幅船舯剖面和1500橫剖面處的圖，我們可以看出，在船艏的壓力明顯大于其它部位，那是因為船體表面壓力主要是由水的粘性壓力和動壓力引起的，在船首，由于船舶需要迎波，因此其破波阻力比較大，導致其首部的壓力比較大。而船舯的壓力大于船艉，是由于在船舯處，當波峰或者波谷在船舯的時候，船舶形成中拱或中垂的狀態(tài)，導致船舯處受力比較大。在船艉水流在螺旋槳處容易形成

112、空泡，導致舵機處水流壓力較小。　　圖3-21：Y=6400壓力分布云圖　　上圖是當Y=6400處的壓力分布云圖，從上圖可以看出，水流的壓力在各處是比較均勻的，那是因為在遠離船舶的地方，水流的壓力受船舶的影響很小，幾乎沒有影響，其壓力主要是水壓。所以在圖上我們看到的是均勻分布的壓力云圖。　　圖3-22：計算域底部壓

113、力分布云圖　　圖3-23：船底處壓力分布云圖　　圖3-23是計算域底部壓力分布云圖，通過這幅圖，我們可以看出，在計算域底部，水壓是均勻的分布，其壓力是由于在水流層的高度引起的自身水壓，船舶對其的影響可以忽略。而圖27是船底處的壓力分布圖，從圖中可以看出，船底處的壓力比相應液面高度處的壓力小，那是因為在船舶航行的過程中，由于艏傾，尾部螺旋槳不但提供了船舶前

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船舶與海洋工程畢業(yè)設計小水線面雙體船阻力計算

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