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船舶在波浪中航行的流場數(shù)值模擬分析

2018-01-24 01:29:34汪異周文平
發(fā)明與創(chuàng)新 2018年1期
關(guān)鍵詞:粘性船體波浪

汪異周文平

瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 瀘州 646005

船舶在波浪中航行時(shí),粘性繞流場狀態(tài)決定了船體的水動(dòng)力性能[1]。然而,波浪中運(yùn)動(dòng)的船舶會(huì)產(chǎn)生周期性的搖蕩運(yùn)動(dòng),使得船舶水下形狀發(fā)生變化,從而引起船體周圍的粘性繞流場的變化,對(duì)船舶的耐波性和快速性等產(chǎn)生不利影響。目前對(duì)船舶粘性繞流場的研究主要有實(shí)驗(yàn)方法和CFD方法[2]。通過直接求解雷諾時(shí)均三維粘性N-S方程的CFD數(shù)值模擬方法能得到繞流場細(xì)節(jié),進(jìn)而分析船舶在水環(huán)境中的耐波性及快速性等性能,具有明顯的優(yōu)勢[3]。

本文采用商用軟件ANSYSFluent對(duì)船舶在迎浪狀態(tài)下縱搖、垂蕩和橫搖三自由度耦合航行時(shí)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬,分析迎浪航行對(duì)船舶的阻力、橫搖及自由表面波形等性能的影響規(guī)律。

一、數(shù)值模擬方法

1.計(jì)算模型及網(wǎng)格

本文計(jì)算對(duì)象為Wigley船型,船體基本尺寸為:長L=2m,寬B=0.2m,吃水T=0.125m。

對(duì)于船舶繞流建模,計(jì)算域的選取要確保不影響計(jì)算流場。本模型中,整個(gè)計(jì)算域?yàn)殚L方體,進(jìn)口距船首2L,設(shè)置為速度入口邊界;出口距船尾4L,設(shè)置為壓力出口邊界;四面為對(duì)稱邊界(法向速度和其他物理量的法向梯度均為0):左右表面距船體中心2L,上表面距中心0.2L,下表面距中心(即水深)1.5L。

采用ICEM-CFD軟件對(duì)流場區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總數(shù)約為250萬。為確保對(duì)邊界層內(nèi)的流動(dòng)特性的良好捕捉,對(duì)船身近壁面生成棱柱體邊界層網(wǎng)格,且保證第一層網(wǎng)格被布置于Y+小于10的范圍內(nèi)、邊界層網(wǎng)格法向膨脹率不超過1.2。在自由液面附近,為了較好地捕捉波形,進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密處理。

船舶幾何模型及網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 船舶幾何模型及網(wǎng)格

2.數(shù)值方法

采用ANSYSFLUENT對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。船舶在波浪中航行,船體邊界運(yùn)動(dòng)規(guī)律是未知的,且會(huì)與周圍流場互相耦合。對(duì)流場與船體的耦合采用六自由度模型,并編寫UDF(統(tǒng)一光盤格式)文件打開船舶的縱搖、垂蕩和橫搖三個(gè)自由度對(duì)船體浮態(tài)進(jìn)行模擬。

對(duì)自由液面的模擬和跟蹤采用VOF方法。該方法通過計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元的流體體積分?jǐn)?shù)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)界面,進(jìn)而確定自由面位置,具有較高的分辨率和精度。

船舶在波浪中航行的數(shù)值模擬,需進(jìn)行數(shù)值波浪的制造和邊界產(chǎn)生的反射波的消除。采用ANSYSFluent軟件中包含的明渠流波浪模型進(jìn)行數(shù)值造波。通過入口速度邊界條件面板可選擇相應(yīng)的波浪模型,本文采用一階Airy線性波浪模型。消波采用數(shù)值海灘(Numerical Beach)模型。該模型通過在動(dòng)量方程中增加阻尼項(xiàng),可以有效降低從壓力出口邊界產(chǎn)生的數(shù)值反射。

湍流模型采用對(duì)逆壓梯度流場捕獲較好的SSTk-ω模型。速度和壓力耦合采用SIMPLE算法,離散格式采用二階迎風(fēng)。非穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)間步長設(shè)置為0.005s,每50步輸出一次計(jì)算結(jié)果。

二、計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)Wigley船型以速度V=1.5m/s,在波速U=2.5m/s、波長 λ=3.85m、波幅 A=0.01925m的波浪中,以遭遇浪向角為180°(迎浪)狀態(tài)航行時(shí)的流場和浮態(tài)進(jìn)行模擬。

圖2為船舶迎浪航行時(shí),不同時(shí)刻的自由面波形云圖。從圖中可以看出,迎浪航行時(shí),自由面波形呈對(duì)稱分布;波浪在向后傳播的過程中與船舶航行時(shí)的興波相互作用和混合,最后在消波區(qū)逐漸消失。

圖3為船舶阻力系數(shù)及縱搖角、橫搖角的時(shí)間歷程。波浪的存在使得船舶阻力系數(shù)及動(dòng)力響應(yīng)呈現(xiàn)正弦周期性變化的特點(diǎn)。迎浪航行時(shí)橫搖角較小,可忽略不計(jì)。

圖2 迎浪航行時(shí)不同時(shí)刻的自由面波形云圖

圖3 迎浪航行時(shí)船舶阻力系數(shù)及縱搖角、橫搖角的時(shí)間歷程

三、結(jié)論

本文采用三維非穩(wěn)態(tài)CFD方法,對(duì)船舶在迎浪狀態(tài)下多自由度耦合航行的粘性流場進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:船舶迎浪航行時(shí),自由面波形呈現(xiàn)對(duì)稱分布;船舶阻力系數(shù)及動(dòng)力響應(yīng)呈現(xiàn)正弦周期性變化的特點(diǎn);橫搖角較小,可忽略不計(jì)。本文基于VOF方法和高精度自由面捕捉技術(shù)的三維非穩(wěn)態(tài)CFD方法能用于船舶在波浪中搖蕩運(yùn)動(dòng)及耐波性的模擬研究?!?/p>

[1]李良彥.船舶阻力及粘性流場的數(shù)值模擬[D].大連:大連理工大學(xué),2008.

[2]吳鐵成.船舶精細(xì)流場數(shù)值模擬及基于PIV的實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2015.

[3]吳乘勝,朱德祥,顧民.數(shù)值波浪水池中船舶頂浪運(yùn)動(dòng)模擬研究[J].船舶力學(xué),2008,12(5):692-696.

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