商業(yè)流體力學(xué)軟件fluen在船舶數(shù)值模擬中的應(yīng)用

商業(yè)流體力學(xué)軟件fluen在船舶數(shù)值模擬中的應(yīng)用

0基于cfd和fluen的船舶水動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件船舶設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是報(bào)告并優(yōu)化設(shè)計(jì)船舶的速度，并預(yù)測阻力報(bào)告是其中的重要內(nèi)容。當(dāng)前的流動(dòng)理論已被用來計(jì)算船舶的流動(dòng)性，但在預(yù)測流量范圍的細(xì)節(jié)方面很難工作。相反，應(yīng)考慮流量粘度計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)也有了長足的進(jìn)步,出現(xiàn)了很多商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件.雖然這些軟件在實(shí)際應(yīng)用中還存在著一定的不足,但隨著CFD的不斷發(fā)展,它們在船舶工程中逐步增加的應(yīng)用已成為趨勢.FLUENT軟件的設(shè)計(jì)是基于CFD軟件群的思想,它可以針對各種不同復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象,采用不同的離散格式和數(shù)值方法,在相應(yīng)的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合.目前,FLUENT軟件已經(jīng)廣泛用于船舶水動(dòng)力學(xué)性能的計(jì)算,但是計(jì)算結(jié)果的精度卻因船型而異,導(dǎo)致這些差異的原因尚沒有被系統(tǒng)地研究過.本文利用CFD軟件FLUENT,基于粘性理論,對各種船型的船舶粘性繞流進(jìn)行了模擬,計(jì)算不同船型船體所受的阻力,并與試驗(yàn)值進(jìn)行了比較,討論商業(yè)流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT在船舶水動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算方面的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性.1單體船模的結(jié)構(gòu)與工作原理本文所采用的第一種船型是一艘600噸的單體船,實(shí)船船長65m,水線半寬4.15m,設(shè)計(jì)吃水2.7m,船?？s尺比1:20,即水線長3.25m,半寬0.208m,吃水0.135m,長寬比約為7.8.計(jì)算船模模型如圖1所示.建模和網(wǎng)格劃分采用FLUENT的專用前處理器GAMBIT,計(jì)算域網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,整個(gè)流體域的網(wǎng)格數(shù)92萬個(gè).求解域的邊界包括壁面、來流速度進(jìn)口、自由流出口、垂直對稱面和自由表面.計(jì)算中對自由液面采用VOF方法,湍流模型使用k-ε湍流模型.壓力場和速度場采用SIMPLE方法進(jìn)行耦合,對流項(xiàng)的離散選用一階迎風(fēng)格式.本文單體船的模型試驗(yàn)由哈爾濱工程大學(xué)的拖曳水池完成.該船模水池長108.0m,寬7.0m,水深3.5m.拖車通過微機(jī)控制,穩(wěn)定車速范圍為0.100m/s~6.500m/s.測試使用四分量運(yùn)動(dòng)測量儀,用其中的小量程測桿,約束該測量儀測桿的縱蕩和橫搖.數(shù)據(jù)采集與分析是用多通道數(shù)采儀進(jìn)行.船模試驗(yàn)的主要目的是為了驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性,本文中為了對CFD軟件模擬粘性流場結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證而給出試驗(yàn)結(jié)果并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,試驗(yàn)船模見圖2.試驗(yàn)前進(jìn)行以下工作:測量儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接與標(biāo)定;水池表面刮水;船模加壓載配重,按設(shè)計(jì)水線調(diào)整浮態(tài)(調(diào)平);調(diào)整重心;用調(diào)整架調(diào)整待試驗(yàn)船模的重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;在船模距艏端一站處安裝直徑1mm的銅線激流絲;將船模放置于水池中,與測桿連接,安裝并調(diào)正船模中心線;每次試驗(yàn)前做試運(yùn)行并破水.由圖3可見,計(jì)算值與試驗(yàn)值在高速段大體吻合,表明計(jì)算有一定的可行性.但是兩者低速段差異較大,原因可能為數(shù)值模擬的船模并沒有安裝激流絲,在低速段的數(shù)值模擬中船體周圍流場的狀態(tài)與試驗(yàn)狀況存在一定的差異,導(dǎo)致兩者的結(jié)果偏差較大.隨著航速的增大,興波阻力所占的比重增大,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異減小,表明FLUENT軟件對興波阻力的計(jì)算比較準(zhǔn)確.并且單體船長寬比偏小,船體表面曲率變化相對較大,船體周圍的流動(dòng)復(fù)雜,導(dǎo)致軟件對周圍流場流動(dòng)的捕捉欠佳.雖然船體表面曲率較大而且沒有安裝激流絲使數(shù)值計(jì)算中船體周圍的繞流場和試驗(yàn)情況有一定的差異,并且數(shù)值計(jì)算中網(wǎng)格分布、網(wǎng)格尺寸的選取、網(wǎng)格數(shù)量的變化以及離散格式和湍流模型的選取均會(huì)對計(jì)算結(jié)果造成一定的影響,但是單體船的計(jì)算反映了FLUENT軟件在計(jì)算單體船這種長寬比小于多體船的船型處于低傅汝德數(shù)時(shí)水動(dòng)力性能上的不足.2船模阻力計(jì)算方法在雙體船的計(jì)算中,本文采用船模作為數(shù)值計(jì)算模型,船?？s尺比1:20,水線長2.71m,單側(cè)片體半寬0.084m,吃水0.13m,濕表面積1.77m2,兩片體中心間距0.65m,單個(gè)片體長寬比約16.1.圖4為計(jì)算所采用的雙體船單側(cè)片體.計(jì)算選取船模航速2.0m/s,3.0m/s,4.0m/s,4.6m/s,5.3m/s,采用83萬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計(jì)算了船模總阻力,并與船模阻力試驗(yàn)值進(jìn)行了對比,兩者對比見圖5.由計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的對比可見兩者大體吻合,可以看出,FLUENT軟件在計(jì)算雙體船這種長寬比大于單體船的船型上具有較好的效果,并且在高速段具有一定的精度.而且對于雙體船這種存在興波干擾的船型,興波干擾也能得到較好的計(jì)算.3試驗(yàn)結(jié)果與分析本文計(jì)算所用的小水線面雙體船模型為斜支柱形,水下部分主體接近回轉(zhuǎn)體,水線長2.5m,單片體寬0.293m,即長寬比約為8.5,設(shè)計(jì)吃水0.22m,方形系數(shù)0.399,濕表面積2.379m2,排水體積0.088m3,排水量88kg,兩下體軸線間距0.883m.浮體由尾向首分為20站.首鰭加在17站48水線的位置,鰭的前緣距17站40mm.鰭的剖面采用NACA翼型,鰭的梢部剖面為弦長80mm的NACA翼型,貼近片體的剖面為弦長100mm的NACA翼型,鰭的梢部經(jīng)過光順處理.該斜支柱小水線面雙體船的單側(cè)片體如圖6所示.計(jì)算所用的來流速度分別為:0.74m/s,1.0m/s.1.2m/s,1.3m/s,1.4m/s,1.5m/s,1.6m/s,1.7m/s,1.9m/s,2.0m/s,2.2m/s,2.5m/s,2.7m/s.3.0m/s,3.5m/s.計(jì)算時(shí)的整個(gè)流體域采用混合網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為606670個(gè),分別計(jì)算了帶有鰭和不帶鰭情況下有自由液面和不帶自由液面的情況,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖7,試驗(yàn)由哈爾濱工程大學(xué)拖曳水池承擔(dān).試驗(yàn)結(jié)果為相應(yīng)計(jì)算情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù),數(shù)值計(jì)算結(jié)果1為相應(yīng)情況下不帶自由液面的計(jì)算結(jié)果,數(shù)值計(jì)算結(jié)果2為相應(yīng)情況下帶自由液面的計(jì)算結(jié)果.由總阻力Rt的計(jì)算可見,在不帶自由表面的情況下所計(jì)算得到的數(shù)值中缺少了自由表面的影響,所得結(jié)果與試驗(yàn)值相差較大,而帶有自由表面的VOF模型所得的結(jié)果則與試驗(yàn)值吻合較好.計(jì)算結(jié)果表明,盡管對于小水線面船型,FLUENT軟件對于自由液面的捕捉和計(jì)算仍比較令人滿意.對于長寬比略小的雙體船船型,網(wǎng)格數(shù)偏少也能有一定的準(zhǔn)確度.但是計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值仍然存在一些差異,尤其在由于流體分離和漩渦脫落時(shí)產(chǎn)生的阻力峰谷點(diǎn)上,兩者差異較大,甚至有相反的趨勢.因此,對于類似回轉(zhuǎn)體等表面曲率較大船體,在周圍流場中流動(dòng)分離和脫落的捕捉及計(jì)算方面,還有待于進(jìn)一步完善.4體船模型試驗(yàn)本文計(jì)算所用的三體船船模主體水線長2.5m,船寬0.177m,主體長寬比約為14.1.側(cè)體長0.7m,寬度0.03m,側(cè)體與主體的間距為0.4m,船體吃水0.106m.在三體船主、側(cè)體型線已確定的前提下,改變側(cè)體相對于主體的偏移位置,得到兩種構(gòu)型,即FA1-A和FA1-B.在FA1-A模型中側(cè)體首部距主體首部1.8,側(cè)體與主體的尾端平齊;在FA1-B模型中側(cè)體首部距主體首部1.3m,約在主體中部.兩種情況下的船體構(gòu)型如圖8所示.計(jì)算所用的來流速度分別為:0.25m/s,0.7m/s,1m/s,1.4m/s,1.7m/s,1.8m/s,2.0m/s,1.9m/s,2.0m/s,2.4m/s,2.7m/s,3.0m/s,3.35m/s,3.7m/s.在考慮自由表面的情況下計(jì)算所用的控制域長、寬、高分別為12.5m、2.5m、3.5m,控制體壁面距主體首部的距離為1倍船長,距主體尾部的距離為3倍船長,距主體的橫向距離和距船體底部的距離均為1倍船長,自由液面之上增加1m的空氣層.計(jì)算時(shí)的整個(gè)流體域的網(wǎng)格數(shù)約為34萬個(gè),船體表面及自由液面上均采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并在船體表面加密,流體域內(nèi)采用混合網(wǎng)格,湍流模型采用k-ε湍流模型.三體船的模型試驗(yàn)在哈爾濱工程大學(xué)拖曳水池完成.試驗(yàn)為了驗(yàn)證理論計(jì)算及構(gòu)型優(yōu)化的正確性及CFD軟件模擬粘性流場的可靠性.三體船試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D9.FA1-A試驗(yàn)三體船模的側(cè)體與主體的尾端平齊,中心線間距為0.4m;FA1-B試驗(yàn)三體船模側(cè)體相對于FA1-A船模側(cè)體向船首移動(dòng)0.5m,約在主體中部,主、側(cè)體中心線間距仍為0.4m.試驗(yàn)前同樣進(jìn)行:1)測量儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接并標(biāo)定;2)水池表面刮水;3)船模加壓載配重,按設(shè)計(jì)水線調(diào)整浮態(tài);4)調(diào)整重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;5)在船模距艏端一站處安裝直徑1mm的銅線激流絲;6)連接測桿,調(diào)正船模中心線;7)每次試驗(yàn)前做試運(yùn)行并破水.分別將FA1-A和FA1-B兩種構(gòu)型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比顯示如圖10.從圖10可以看出,計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好,表明了用FLUENT軟件計(jì)算三體船阻力的可行性和準(zhǔn)確性.從計(jì)算結(jié)果中也可以看出FA1-A船型的阻力較FA1-B的阻力略有偏小,即按照FA1-A船型安排側(cè)體位置能減小船體總阻力.曲線在低速段吻合程度較高速時(shí)略差,原因可能仍是在低速段數(shù)值模擬的船體周圍流態(tài)與試驗(yàn)情況有一定差別造成的.針對FA1-A船模,還對其側(cè)體的位置進(jìn)行了計(jì)算研究,即在計(jì)算中分別改變側(cè)體中心線與主體中心線之間的橫向間距,選擇間距為200mm,400mm和600mm的不同距離,研究側(cè)體的橫向位置對船體總阻力的影響,三種情況下所得到的船體阻力對比如圖11.從圖11中的計(jì)算結(jié)果來看,FA1-A船型在選擇側(cè)體與主體間橫向間距為400mm時(shí)所得到的總阻力較其它兩種情況下更小,并且隨著航速的增加選擇400mm間距的船體總阻力比其它兩種情況下更小.這可以說明,在這種側(cè)體位置的布置情況下主、側(cè)體之間的興波干擾處于有利干擾的狀態(tài).三體船的細(xì)長比較雙體船和單體船更大,因此,即便離散流體域使用的網(wǎng)格數(shù)更少,仍然能得到較好的結(jié)果.在低速段,三體船阻力的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差較單體船更小,說明FLUENT軟件對長寬比較大的船型有很好的適用性.另外,對于片體間的干擾,FLUENT仍然能計(jì)算的比較準(zhǔn)確,FA1-A船型主體與側(cè)體之間的干擾較FA1-B船型的更為有利,較有效的減小了阻力,因此阻力值比FA1-B船型的稍小;FA1-A船型側(cè)體與主體間距為400mm時(shí),主、側(cè)體之間產(chǎn)生有利的興波干擾,有效的減小了總阻力.以上的計(jì)算結(jié)果表明FLUENT軟件在興波干擾方面的計(jì)算能達(dá)到一定的精度,能適用于對高速船的船型優(yōu)化.5數(shù)值模擬結(jié)果的比較與改進(jìn)本文對單體船、雙體船、小水線面斜支柱雙體船和三體船四種船型分別進(jìn)行了數(shù)值模擬,并將得到的阻力結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行了對比,從數(shù)值模擬與試驗(yàn)值的對比分析中得到了一些結(jié)論:1)數(shù)值模擬的結(jié)果大體上與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合,表明數(shù)值模擬能夠作為船舶水動(dòng)力學(xué)性能研究的一種重要手段.2)從數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比上看,高速段的吻合程度一般較低速段好.由于在數(shù)值模擬中無法給船模添加激流絲等,在低速段船體周圍的流場與試驗(yàn)情況有一定的差異,導(dǎo)致結(jié)果相應(yīng)的偏大.3)對于船體表面有一定曲率的船型,在計(jì)算流體分離和漩渦與脫落方面FLUENT軟件還有一些不足,對流場的細(xì)節(jié)捕捉尚有待完善.4)在自由液面的模擬和捕捉上,FLUENT軟件有一定的優(yōu)勢,具有一定的精度,當(dāng)然,捕捉的準(zhǔn)確程度也取決于自由液面的網(wǎng)格數(shù)和網(wǎng)格細(xì)化程度.5)總體上看,三體船的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度優(yōu)于雙體船,而雙體船的則優(yōu)于單體船,即對長寬比較大船型的數(shù)值模擬結(jié)果較好,而對長寬比