船舶與海洋工程畢業(yè)設(shè)計(jì)小水線面雙體船阻力計(jì)算

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　小水線面雙體船阻力計(jì)算</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 船舶與海洋工程

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　目錄</b></p>

3、<p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　[Abstract]2</p><p><b>　　1前言3</b></p><p>　　1.1課題的目的與意義3</p><p>　　1.2小水線面雙體船的現(xiàn)狀與發(fā)展3</p><p>　　

4、1.3 CFD研究4</p><p>　　1.4 FLUENT的簡(jiǎn)介5</p><p>　　1.4.1程序結(jié)構(gòu)：5</p><p>　　1.4.2 FLUENT 程序可以求解的問(wèn)題6</p><p>　　1.5本設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容7</p><p><b>　　2. 基本理論7</b>

5、</p><p>　　2.1 FLUENT基本思路7</p><p>　　2.2 FLUENT分析流程8</p><p>　　2. 3邊界條件9</p><p>　　2.4 SIMPLE算法10</p><p>　　2. 5網(wǎng)格生成技術(shù)11</p><p>　　3雙體船實(shí)船數(shù)值模擬

6、12</p><p><b>　　3.1引言：12</b></p><p>　　3.2計(jì)算模型與坐標(biāo)系13</p><p><b>　　3.3計(jì)算域16</b></p><p>　　3.4網(wǎng)格劃分17</p><p>　　3.5 邊界條件19</p>

7、<p>　　3.6 模型設(shè)定19</p><p>　　3.7 求解設(shè)定與計(jì)算19</p><p>　　3.8計(jì)算結(jié)果與分析28</p><p><b>　　總結(jié)36</b></p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)]37</b></p><p><b&

8、gt;　　致謝38</b></p><p><b>　　外文翻譯39</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　最近幾年我國(guó)船舶產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，快速性是船舶性能重要的一塊，通過(guò)對(duì)船體的線型進(jìn)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(yùn)效率。<

9、;/p><p>　　這次設(shè)計(jì)采用目前廣泛應(yīng)用的商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)通用軟件GAMBIT來(lái)建小水線面雙體船的船體模型，并用FLUEN計(jì)算在同航速下船舶的阻力。本次是計(jì)算船舶在20節(jié)航速下的阻力。幷對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，如：船體表面壓力、船體周?chē)杂梢好?、船舵處壓力、船舯處壓力、船艏處壓力、船前均勻?lái)流壓力、船舯剖面壓力、橫剖面壓力分、計(jì)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(shuō)明FLUENT對(duì)具

10、有自由面的雙體船船模的粘性流場(chǎng)模擬和阻力計(jì)算是可行的，從而保證了后續(xù)的粘性流場(chǎng)數(shù)值模擬和船模阻力計(jì)算的可靠性。</p><p>　　[關(guān)鍵詞] FLUENT；數(shù)值模擬；船舶阻力；雙體船</p><p>　　Resistance Computation of a Trawler Based on FLUENT</p><p>　　[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.</p><p>　　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</p><p>　　[Key Words] FLUENT; numerical simulation; shi

15、p resistance; SWATH catamaran</p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　1.1課題的目的與意義</p><p>　　船舶是一個(gè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化具有十分重要意義的工程領(lǐng)域。造船作為一個(gè)勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)，在當(dāng)今社會(huì)中的地位，相當(dāng)重要，不僅與水上運(yùn)輸、漁業(yè)等息息相關(guān)，與鋼鐵產(chǎn)業(yè)更是密不可分

16、[1]。為近年來(lái)，隨著船舶產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，以及原油價(jià)格的不斷上漲，為了確保經(jīng)濟(jì)效益，船的性能的研究顯得越來(lái)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(diǎn)是由于水線面比單、雙體船都小很多,受波浪擾動(dòng)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(jiān)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)平緩, 適于在復(fù)雜海情下工作,上可

17、起降直升機(jī), 下可收放深潛器、工作艇; 在相對(duì)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(dān)海上特種作業(yè); 操縱性良好, 利于安全實(shí)施海上靠舷登船;生存能力較強(qiáng),正常與破損穩(wěn)性較高;船體表現(xiàn)外形簡(jiǎn)單, 通常是二線曲面,建造工藝沒(méi)難度,而且適宜采用電磁波和水聲隱身結(jié)構(gòu), 提高全船隱蔽性。但船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,重量比相當(dāng)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</p><p>　　1.2小水線

18、面雙體船的現(xiàn)狀與發(fā)展</p><p>　　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(guó)建成世界上第一首SWATHA“Kaimalino”號(hào)。隨后日本和歐洲一些國(guó)家也相繼開(kāi)發(fā)出SWATH船。例如，日本開(kāi)發(fā)的有”Marine Ace”號(hào)(18t,試驗(yàn)船)，“Mesa 80”號(hào)（350t，旅客渡船），”Kotozaki”號(hào)和Ohtori號(hào)（排水量分別為236t和239t，均為水文調(diào)查船）。

19、我國(guó)在70年代后期開(kāi)始SWATH船的研究工作[3][4][5][6][7]。2000年在汕頭船廠建成我國(guó)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(diǎn)，設(shè)計(jì)航速不很高。</p><p>　　因?yàn)镾WATH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(dāng)SWATH船低速航行時(shí)，其阻力性能比單體船差很多

20、。只有高速航行時(shí)，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(shè)計(jì)得較高。</p><p>　　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(shuō)明SWATH船在波浪中失速小 ,這一點(diǎn)與單體船有很大不同。</p><p>　　SWATH船的推進(jìn)效率比單體船高 10%一 50%[3]。主要有兩個(gè)原因：一是主體是比較規(guī)則

21、的細(xì)長(zhǎng)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(jìn)效率較高</p><p>　　大直徑低轉(zhuǎn)速螺旋槳。</p><p><b>　　1.3 CFD研究</b></p><p>　　船舶的水動(dòng)力和所受阻力是船舶性能研究和船型優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。以往采用模型試驗(yàn)研究，雖然可靠，但是設(shè)計(jì)

22、周期長(zhǎng)，資金投入大，且不便于改進(jìn)設(shè)計(jì)。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速崛起和發(fā)展，船舶的水動(dòng)力性能（快速性、適航性、操縱性）是由繞船的流場(chǎng)特性而決定，從理論上講通過(guò)求解描述流場(chǎng)特性的流體動(dòng)力學(xué)方程就能對(duì)相應(yīng)的水動(dòng)力性能做出預(yù)報(bào)。然而，由于自由面的存在、船體幾何形狀復(fù)雜（特別是船尾）、附體較多，導(dǎo)致自由面水波、流體分離、漩渦等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得流場(chǎng)中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，即使有了描述流動(dòng)過(guò)程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，長(zhǎng)期以來(lái)船模試驗(yàn)便成了研究

23、船舶周?chē)鲌?chǎng)特性的一個(gè)必不可少的手段。然而，船模試驗(yàn)不僅周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、很難得到詳細(xì)的局部流場(chǎng)信息，同時(shí)應(yīng)為尺度效應(yīng)，船模實(shí)際上并不能真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)船的流動(dòng)情況，很大的局限性。新的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)手段的引入已十分必要。</p><p>　　計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)是在計(jì)算機(jī)上求解描述流體運(yùn)動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)的偏微分方程組，并對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)程模擬。用他來(lái)進(jìn)行流

24、體力學(xué)的基礎(chǔ)研究，其主要優(yōu)點(diǎn)是能以較少的費(fèi)用和較短的時(shí)間來(lái)獲得大量有價(jià)值的研究結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值方法不斷改進(jìn)，CFD的計(jì)算精度不斷提高以至滿足工程實(shí)用要求逐漸成為可能，正成為研究船舶水動(dòng)力性能的一種新的、快速而經(jīng)濟(jì)的重要工具。較為成功的應(yīng)用實(shí)例是耐波性的計(jì)算方程的普及，升力線、升力面理論已取代了螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)。船舶阻力的CFD計(jì)算盡管存在自由表面、高雷諾數(shù)等多種難題，最近30年來(lái)通過(guò)人們不懈的努力，從勢(shì)流理論線性計(jì)算到

25、非線性計(jì)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(jì)算能力和實(shí)用方面都發(fā)生了深刻的變化。過(guò)去只是在大學(xué)和研究所機(jī)構(gòu)才有的計(jì)算方法，如今已有很多商業(yè)化的CFD軟件可以應(yīng)用。不過(guò)，就我國(guó)現(xiàn)在的CFD軟件開(kāi)發(fā)水平和能力而言，借助國(guó)外成熟的商業(yè)CFD通用軟件進(jìn)行船舶的粘性繞流模擬和水動(dòng)力研究，應(yīng)該是一種比較簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的方法。目前，國(guó)</p><p>　　1.4 FLU

26、ENT的簡(jiǎn)介</p><p>　　FLUENT是用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的程序。他提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。可以生成的網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格;三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格。FLUENT還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力對(duì)于精確求解有較大梯度的流暢很有實(shí)際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動(dòng)區(qū)域里實(shí)施，而非整個(gè)流場(chǎng)，因此可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

27、[10]</p><p>　　1.4.1程序結(jié)構(gòu)：</p><p>　　（1）GAMBIT–用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格生產(chǎn)</p><p>　　GAMBIT，作為FLUENT的前處理軟件，可以生成用于CFD數(shù)值模擬和計(jì)算的網(wǎng)格模型，并且它所生成的網(wǎng)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(gè)方面:構(gòu)建幾何模型、劃分網(wǎng)格和設(shè)定定界，其

28、中劃分網(wǎng)格是其最主要的一項(xiàng)功能。它最終將生成可以導(dǎo)入多種CFD程序或商業(yè)CFD軟件的網(wǎng)格模型文件。 在使用GAMBIT進(jìn)行幾何建模時(shí)，對(duì)于模型幾何形狀不太復(fù)雜的問(wèn)題，一般可以直接在GAMBIT中完成幾何建模。但對(duì)于復(fù)雜模型的CFD問(wèn)題，特別是三維問(wèn)題，GAMBIT不是很有效，所以需要借助專用的CAD軟件來(lái)幫助完成幾何建模。GAMBIT可以導(dǎo)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?qū)氲膸缀文Ｐ臀募愋桶ˋCIS, Pa

29、rasolid, IGES和STEP等格式。GAMBIT具有靈活的幾何模型修正功能，當(dāng)從接口導(dǎo)入模型時(shí)，會(huì)自動(dòng)合并重合的點(diǎn)、線、面，在保證原始幾何精度的基礎(chǔ)上通過(guò)虛擬幾何自動(dòng)縫合小縫隙，這樣既保證了幾何精度，又滿足了網(wǎng)格劃分的需要。</p><p>　　GAMBIT具有較強(qiáng)的網(wǎng)格劃分能力，它提供了多種網(wǎng)格單元，可以根據(jù)用戶的需要生成二維的三角形和四邊形網(wǎng)格，三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格等多種類型的網(wǎng)格，它具有良

30、好的自適應(yīng)功能，可以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化與粗化或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格。GAMBIT中的Tgrid方法可以在極其復(fù)雜的幾何區(qū)域中劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)的完全非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在GAMBIT中，網(wǎng)格生成以后，還可以對(duì)模型進(jìn)行邊界的設(shè)置，以便為后續(xù)進(jìn)行CFD模擬時(shí)輸入邊界條件。GAMBIT可以生成FLUENT, FDIAP,POLYFLOW等求解器所需要的網(wǎng)格文件。</p><p>　?。?）FLUENT-用于進(jìn)行

31、流動(dòng)模擬計(jì)算的求解器</p><p>　　FLUENT是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)的計(jì)算機(jī)程序。它提供了完全的網(wǎng)格靈活性，你可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，例如二維三角形或四邊形網(wǎng)格、三維四面體/六面體/金字塔形網(wǎng)格來(lái)解決具有復(fù)雜外形的流動(dòng)。甚至可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。它允許你根據(jù)解的具體情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改（細(xì)化/粗化）。</p><p>　　對(duì)于大梯度區(qū)域，如自由剪切層和邊界層，為了非

32、常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)流動(dòng)，自適應(yīng)網(wǎng)格是非常有用的。與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，這一特點(diǎn)很明顯地減少了產(chǎn)生“好”網(wǎng)格所需要的時(shí)間。對(duì)于給定精度，解適應(yīng)細(xì)化方法使網(wǎng)格細(xì)化方法變得很簡(jiǎn)單，并且減少了計(jì)算量。其原因在于：網(wǎng)格細(xì)化僅限于那些需要更多網(wǎng)格的解域。</p><p>　　FLUENT是用C語(yǔ)言寫(xiě)的，因此具有很大的靈活性與能力。因此，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(yīng)各種機(jī)器與操作系統(tǒng)，F(xiàn)LUENT使用client/server結(jié)構(gòu)，因此它允許同時(shí)在用戶桌面工作站和強(qiáng)有力的服務(wù)器上分離地運(yùn)行程序。</p><p>　　在FLUENT中，解的計(jì)算與顯示可以通過(guò)交互界面，菜單界面來(lái)完成。用戶界面是通過(guò)Scheme語(yǔ)言及LISP dialect寫(xiě)就的。高級(jí)用戶可以通過(guò)寫(xiě)菜單宏及菜單函數(shù)自定義及優(yōu)化界面。</p><p>　　FLUENT采用非結(jié)

34、構(gòu)網(wǎng)格以縮短產(chǎn)生網(wǎng)格所需要的時(shí)間，簡(jiǎn)化了幾何外形的模擬以及網(wǎng)格產(chǎn)生過(guò)程。和傳統(tǒng)的多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，它可以模擬具有更為復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)，并且具有使網(wǎng)格適應(yīng)流場(chǎng)的特點(diǎn)。FLUENT也能夠使用適體網(wǎng)格，塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(比如：FLUENT 4和許多其它的CFD結(jié)算器的網(wǎng)格)。FLUENT可以在2D流動(dòng)中處理三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格，在3D流動(dòng)中可以處理四面體網(wǎng)格，六邊形網(wǎng)格，金字塔網(wǎng)格以及楔形網(wǎng)格（或者上述網(wǎng)格的混合）。這種靈活處理網(wǎng)格的特點(diǎn)使我們

35、在選擇網(wǎng)格類型時(shí)，可以確定最適合特定應(yīng)用的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 </p><p>　　利用FLUENT軟件進(jìn)行流體的流動(dòng)和傳熱計(jì)算的模擬計(jì)算的流程一般是，首先利用GAMBIT進(jìn)行流動(dòng)區(qū)域幾何形狀的構(gòu)建、定義邊界類型和生成網(wǎng)格，然后將GAMBIT中的網(wǎng)格文件輸出用于FLUENT求解器計(jì)算的格式，在FLUENT 中讀取所輸出的文件并設(shè)置條件對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行后處理。</p><

36、p>　　1.4.2 FLUENT 程序可以求解的問(wèn)題</p><p>　　FLUENT 可以求解計(jì)算二維和三維問(wèn)題，在計(jì)算過(guò)程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng)調(diào)整。fluent軟件的應(yīng)用范圍非常廣泛，主要范圍如下：</p><p>　　(1)可壓縮與不可壓縮流動(dòng)問(wèn)題。</p><p>　　(3)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問(wèn)題。</p><p>　　(4)無(wú)黏流，

37、層流及湍流問(wèn)題。 </p><p>　　(5)牛頓流體及非牛頓流體。</p><p>　　(6)導(dǎo)熱與對(duì)流換熱耦合問(wèn)題。</p><p><b>　　(7)輻射換熱。</b></p><p>　　(8)慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)問(wèn)題模擬。 </p><p>　　(9)用Lagrangian

38、軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）。</p><p>　　(10)一維風(fēng)扇、熱交換器性能計(jì)算。</p><p>　　(11)兩相流問(wèn)題。</p><p>　　(12)復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng)問(wèn)題。[11]</p><p>　　1.5本設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要是利用FLUENT軟件， 用

39、GAMBIT建模設(shè)置計(jì)算域畫(huà)網(wǎng)格，最終msh格式導(dǎo)出。通過(guò)FLUENT計(jì)算船體阻力。</p><p><b>　　2. 基本理論</b></p><p>　　2.1 FLUENT基本思路</p><p>　　利用GAMBIT產(chǎn)生所需的幾何結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)格，也可以在已知邊界網(wǎng)格中用Tgrid產(chǎn)生三角網(wǎng)格，四面體網(wǎng)格或者混合網(wǎng)格，也可能用其他軟件產(chǎn)生F

40、LUENT所需要的網(wǎng)格，將網(wǎng)格讀入FLUENT，使用解算器進(jìn)行計(jì)算，其中包括，邊界條件的設(shè)定，流體物性的設(shè)定，解的執(zhí)行，網(wǎng)格的優(yōu)化，結(jié)果的查看與后處理。</p><p>　　a.解決問(wèn)題的步驟：</p><p>　　b．創(chuàng)建網(wǎng)格. </p><p>　　c．運(yùn)行合適的解算器：2D、3D、2DDP、3DDP。</p><p><b&g

41、t;　　d．輸入網(wǎng)格</b></p><p><b>　　e．檢查網(wǎng)格</b></p><p><b>　　f．選擇解的格式</b></p><p>　　g．選擇需要解的基本方程：層流還是湍流（無(wú)粘）、化學(xué)組分還是化學(xué)反應(yīng)、熱傳導(dǎo)模型等</p><p>　　h．確定所需要的附加模型：風(fēng)扇

42、，熱交換，多孔介質(zhì)等。</p><p>　　i．指定材料物理性質(zhì)</p><p><b>　　j．指定邊界條件 </b></p><p>　　k．調(diào)節(jié)解的控制參數(shù)</p><p><b>　　l．初始化流場(chǎng)</b></p><p><b>　　m．計(jì)算解</b

43、></p><p><b>　　n．檢查結(jié)果</b></p><p><b>　　o．保存結(jié)果 </b></p><p>　　p．必要的話，細(xì)化網(wǎng)格，改變數(shù)值和物理模型。</p><p>　　第一步需要幾何結(jié)構(gòu)的模型以及網(wǎng)格生成。你可以使用GAMBIT或者一個(gè)分離的CAD系統(tǒng)產(chǎn)生幾何結(jié)構(gòu)模型及

44、網(wǎng)格。也可以用Tgrid從已有的面網(wǎng)格中產(chǎn)生體網(wǎng)格。你也可以從相關(guān)的CAD軟件包生成體網(wǎng)格，然后讀入到Tgrid或者FLUENT</p><p>　　表2-1： FLUENT菜單概述</p><p>　　2.2 FLUENT分析流程</p><p>　　當(dāng)你決定使FLUENT解決某一問(wèn)題時(shí)，首先要考慮如下幾點(diǎn)問(wèn)題： 定義模型目標(biāo)：從CFD模型中需要得到什么樣的結(jié)果？

45、從模型中需要得到什么樣的精度；選擇計(jì)算模型：你將如何隔絕所需要模擬的物理系統(tǒng)，計(jì)算區(qū)域的起點(diǎn)和終點(diǎn)是什么？在模型的邊界處使用什么樣的邊界條件？二維問(wèn)題還是三維問(wèn)題？什么樣的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合解決問(wèn)題？物理模型的選?。簾o(wú)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(yīng)用其它的物理模型？確定解的程序：?jiǎn)栴}可否簡(jiǎn)化？是否使用缺省的解的格式與參數(shù)值？采用哪種解格式可以加速收斂？使用多重網(wǎng)格計(jì)算機(jī)的內(nèi)存是否夠用？得到收斂解需要多久的時(shí)

46、間？在使用CFD分析之前詳細(xì)考慮這些問(wèn)題，對(duì)你的模擬來(lái)說(shuō)是很有意義的。當(dāng)你計(jì)劃一個(gè)CFD工程時(shí)，請(qǐng)利用提供給FLUENT使用者的技術(shù)支持[12]。</p><p>　　在建立控制方程組后，可將其離散成線性代數(shù)方程組進(jìn)行求解。為了構(gòu)造定解問(wèn)題，必須知道相關(guān)變量的邊界條件。最常見(jiàn)的邊界條件有兩大類:</p><p>　　用前處理器GAMBIT建立模型，用FLUENT求解器進(jìn)行模擬和求解一般遵循

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

48、ENT求解器，導(dǎo)入GAMBIT生成的網(wǎng)格模型并檢查模型的網(wǎng)格是否存在問(wèn)題。</p><p>　　(5)選擇運(yùn)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(wèn)題。</p><p>　　(6)選擇材料和設(shè)定材料相關(guān)物理特性，包括材料的密度、動(dòng)力粘性系數(shù)等。</p><p>　　(7)根據(jù)模擬要求設(shè)定邊界條件，也可以根據(jù)需要對(duì)使用GAMBIT時(shí)

49、定義過(guò)的模型邊界類型進(jìn)行修改。</p><p>　　(8)根據(jù)計(jì)算要求設(shè)定求解的有關(guān)設(shè)置，包括算法的選擇、差值格式的確定、控制參數(shù)的設(shè)置等等。</p><p>　　(9)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化，確定計(jì)算起始位置，準(zhǔn)備計(jì)算。</p><p>　　(10)設(shè)置相關(guān)信息的監(jiān)控，如殘差圖和物體固面受力報(bào)告圖等，進(jìn)行求解計(jì)算。</p><p>　　(11)顯

50、示檢查求解結(jié)果。如果流場(chǎng)中的所有單元在一個(gè)指定的容差范圍內(nèi)都遵守給定的離散守恒方程，繼續(xù)迭代時(shí)結(jié)果不再發(fā)生明顯變化，所有的指標(biāo)都達(dá)到要求，那么就可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果達(dá)到了所需要的收斂要求。</p><p>　　(12)保存求解結(jié)果，進(jìn)行后處理。</p><p>　　(13)如果必要，還可以修改網(wǎng)格或計(jì)算模型，重復(fù)上述過(guò)程，進(jìn)行重新計(jì)算。</p><p><b>

51、;　　2.3邊界條件</b></p><p>　　第一類邊界條件，即Dirichlet條件，描述的是計(jì)算區(qū)域的邊界或部分邊界上變量的值。即:</p><p><b>　　，在邊界上</b></p><p>　　式中，表示某物理量在邊界上的數(shù)值。</p><p>　　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:</p><p><b>　　，在邊界上。</b></p><p>　　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。</p><p>　　對(duì)于船舶粘性繞流來(lái)說(shuō)，初始條件和邊界條件如下:</p><p>　　(1) 入口邊界條件。入口邊界要取在離船首足夠遠(yuǎn)的地方才能反映流

53、動(dòng)的真實(shí)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(yù)先給定的，一般是均勻來(lái)流條件，如果均勻來(lái)流速度為，則:</p><p>　?。ü?2.1 ） </p><p>　　湍動(dòng)能k和湍流耗散率也是預(yù)先給定的，一般是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，或通過(guò)有關(guān)估算公式給出。</p><p>　　(2) 出口邊界條件。出口邊界要取在距離船尾足夠遠(yuǎn)

54、的地方以消除回流等對(duì)流場(chǎng)計(jì)算有影響的現(xiàn)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(shù)情況下，下游的湍動(dòng)能k和湍流耗散率取零梯度。即:</p><p>　?。ü?2.2 ） </p><p>　　(3) 對(duì)稱邊界條件。在對(duì)稱面上，沒(méi)有質(zhì)量、熱量等物理量的交換，因此對(duì)稱面上的法向速度為零，即:</p>&

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

56、 （公式 2.4 ）</p><p>　　(4) 固壁邊界條件。對(duì)于粘性流體來(lái)說(shuō)，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(wú)相對(duì)滑移。</p><p>　　在固體邊界處，如果固體邊界的速度為，則流動(dòng)的固壁邊界條件為: </p><p>　　（公式 2.5 ）<

57、/p><p><b>　　稱之為無(wú)滑移條件。</b></p><p>　　在這里，固體邊界是靜止不動(dòng)的，即=0 (0,0,0)，在壁面上，速度和湍動(dòng)能k滿足無(wú)滑移(no-slip)的邊界條件: </p><p>　　（公式 2.6 ）</p><p>　　在靠近固壁面的區(qū)域，湍動(dòng)能k被強(qiáng)烈地耗減，耗散率達(dá)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。</p><p>　　2.4 SIMPLE算法</p><p>　　流場(chǎng)計(jì)算的基本過(guò)程是在空間上用有限體積法或類似方法將計(jì)算域離散成許多小的體積單元，在每個(gè)體積單元上對(duì)離散后的控制方程組進(jìn)行求解。流場(chǎng)計(jì)算方法的本質(zhì)是對(duì)離散后的控制方程組的求解。目前，流場(chǎng)計(jì)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。</p><p>　　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(chǎng)的數(shù)值方法，也可用于求解可壓流動(dòng)。它的核心是采用“猜測(cè)一修正”的過(guò)程，在交錯(cuò)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來(lái)計(jì)算壓力場(chǎng)，從而達(dá)到求解動(dòng)量方程—Navier-Stokes方程的目的。SIMPLE方法的基本思想是:對(duì)于給定的壓力場(chǎng)(它可以是假定的值或者是上一次迭代計(jì)算所得到的結(jié)果)，求解離散形式的動(dòng)量方程，得出速度場(chǎng)。因?yàn)閴毫?chǎng)是假定的或不精確的，由此得到的速度場(chǎng)一般是不滿足連續(xù)方程的，因此，必須對(duì)給定的壓力場(chǎng)加以修正。修正的原則是:與修正后的

61、壓力場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)能滿足這一迭代層次上的連續(xù)方程。據(jù)此原則，我們把由動(dòng)量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系代入連續(xù)方程的離散形式，從而得到壓力修正項(xiàng)，由壓力修正方程得出壓力修正值。接著根據(jù)修正后的壓力場(chǎng)，求解的新的速度場(chǎng)。然后檢查速度場(chǎng)是否收斂，若不收斂，用修正后的壓力值作為給定的壓力場(chǎng)，開(kāi)始下一層次的計(jì)算，如此反復(fù)，直到獲得收斂的解。</p><p>　　2. 5網(wǎng)格生成技術(shù)</p><

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

63、于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有著極好的自適應(yīng)性，所以對(duì)于具有復(fù)雜邊界的流場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是非常有效的，一般是通過(guò)專門(mén)的程序或軟件來(lái)生成的。網(wǎng)格區(qū)域分為單連域和多連域。繞流流動(dòng)問(wèn)題都屬于多連域問(wèn)題。本文中涉及到的船體繞流，是典型的多連域問(wèn)題。由于船模線型比較復(fù)雜，導(dǎo)致計(jì)算模型的邊界復(fù)雜，故采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。</p><p>　　非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)“是在上個(gè)世紀(jì)80年代末90年代初得到迅速發(fā)展的。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的基本思想是基于如

64、下假設(shè):四面體是實(shí)三維空間最簡(jiǎn)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(wǎng)格所劃分。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格由三角形(二維)或四面體(三維)網(wǎng)格單元組成。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格舍去了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性限制，易于控制網(wǎng)格單元的大小、形狀，即網(wǎng)格點(diǎn)的位置，因此比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格更靈活，對(duì)復(fù)雜外形的適應(yīng)能力非常強(qiáng);對(duì)于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格線和網(wǎng)格面應(yīng)保持連續(xù)，并正交于物體邊界和相鄰的網(wǎng)格線和面，而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格沒(méi)有此限制;且其網(wǎng)格中

65、一個(gè)點(diǎn)周?chē)狞c(diǎn)數(shù)和單元數(shù)都不是固定的，因而可以方便地作自適應(yīng)計(jì)算，合理分布網(wǎng)格疏密，提高計(jì)算精度。同時(shí)，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格也存在著內(nèi)存要求大、流場(chǎng)計(jì)算需要更多CPU時(shí)間、不易應(yīng)用多重網(wǎng)格技術(shù)等缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格互補(bǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)推動(dòng)了結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)雜交網(wǎng)格的出現(xiàn)。生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的方法可歸結(jié)為兩大類，即Delaunay三角化法和推進(jìn)陣面法。</p><p>　　網(wǎng)格的合理布置和適當(dāng)加密對(duì)于提高計(jì)算精度和分辨局部流動(dòng)細(xì)節(jié)至關(guān)重要

66、，網(wǎng)格生成的好壞將直接影響到模擬和計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣。生成網(wǎng)格一般要遵循下面的幾點(diǎn)原則:</p><p>　　(1)網(wǎng)格離散盡量簡(jiǎn)單，生成的網(wǎng)格要便于組成高效、節(jié)約的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這樣可以方便計(jì)算。</p><p>　　(2)網(wǎng)格線盡量正交，曲線盡量光滑，不要過(guò)分扭曲。網(wǎng)格線要與流動(dòng)方向一致，有利于減少假擴(kuò)散誤差;若事先不能知道流動(dòng)方向，那么在計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際流動(dòng)更新網(wǎng)格，使之滿足要求。</p

67、><p>　　(3)網(wǎng)格離散盡量貼體。只要網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不貼在物體表面上，物面邊界條件便要使用插值方法而產(chǎn)生誤差，流場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)參數(shù)值都依賴于邊界參數(shù)值，故相應(yīng)都有了誤差。當(dāng)物面參數(shù)變化劇烈，或流動(dòng)參數(shù)對(duì)物面形狀很敏感時(shí)，引起的誤差將會(huì)很大。</p><p>　　(4)網(wǎng)格分布稀疏合理，過(guò)渡自然。</p><p>　　3雙體船實(shí)船數(shù)值模擬</p><p>

68、<b>　　3.1引言：</b></p><p>　　船船舶在靜水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然會(huì)受到一個(gè)相反與運(yùn)動(dòng)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(shí)，在船體曲率驟變的地方，特別是船尾處，水的粘性作用會(huì)產(chǎn)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(lái)便形成一個(gè)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(yùn)動(dòng)的過(guò)程中將興起波浪，波浪的產(chǎn)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(chǎn)生了首尾流體動(dòng)壓力差，進(jìn)而產(chǎn)生了興波阻力。</p><p>　　當(dāng)船舶在不同的海域，以不同的速度航行時(shí)，其阻力也不同，當(dāng)船舶航速V較小時(shí)，船體興波作用較小，由于水的粘性作用產(chǎn)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(dāng)船體航速V較大時(shí)，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(shí)船波相當(dāng)復(fù)雜，使得興波干擾情況也比較復(fù)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(shí)就無(wú)法精確的計(jì)算出船舶的阻力。</p><p>　　FLUENT作為一種新興的手段，正是可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算來(lái)準(zhǔn)確模擬流場(chǎng)，預(yù)報(bào)船體阻力的數(shù)值，才會(huì)在國(guó)內(nèi)外都得到廣泛的研發(fā)和應(yīng)用，將對(duì)船舶的水動(dòng)力研究和船型優(yōu)

71、化設(shè)計(jì)具有重大實(shí)際意義。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用FLUENT遵循以下步驟，來(lái)計(jì)算某速度下漁船的阻力值。首先，在GAMBIT中構(gòu)建幾何模型或者導(dǎo)入其它CAD軟件生成的幾何模型。劃分網(wǎng)格，建立網(wǎng)格模型，指定網(wǎng)格模型的邊界類型和區(qū)域類型，然后導(dǎo)出用于FLUENT求解器模擬計(jì)算的文件類型。啟動(dòng)FLUENT求解器，導(dǎo)入GAMBIT生成的網(wǎng)格模型并檢查模型的網(wǎng)格是否存在問(wèn)題。選擇運(yùn)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(wèn)題。選擇材料和設(shè)定材料相關(guān)物理特性，包括材料的密度、動(dòng)力粘性系數(shù)等。根據(jù)模擬要求設(shè)定邊界條件，也可以根據(jù)需要對(duì)使用GAMBIT時(shí)定義過(guò)的模型邊界類型進(jìn)行修改。根據(jù)計(jì)算要求設(shè)定求解的有關(guān)設(shè)置，包括算法的選擇、差值格式的確定、控制參數(shù)的設(shè)置等等。對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化，確定計(jì)算起始位置，準(zhǔn)備計(jì)算。設(shè)置相關(guān)信息的監(jiān)控，如殘差圖和物體固面受力報(bào)告圖等，進(jìn)行求解計(jì)算。顯示檢查求解結(jié)果。如果流場(chǎng)中的所有單元在一個(gè)指

73、定的容差范圍內(nèi)都遵守給定的離散守恒方程，繼續(xù)迭代時(shí)結(jié)果不再發(fā)生明顯變化，所有的指標(biāo)都達(dá)到要求，那么就可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果達(dá)到了所需要的收斂要求。保存求解結(jié)果，進(jìn)行后處理。如果必要，還可以修改網(wǎng)格</p><p>　　本章主要是對(duì)按試驗(yàn)油船船模進(jìn)行流場(chǎng)模擬和阻力計(jì)算。下面將詳細(xì)介紹船體模型的建模過(guò)程、數(shù)值模擬計(jì)算的設(shè)定和對(duì)模擬情況與計(jì)算結(jié)果的比較分析</p><p>　　3.2計(jì)算模型與坐標(biāo)系&

74、lt;/p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是一艘雙體船,實(shí)船的主要船型參數(shù)如下表所示。</p><p>　　表3-1 實(shí)船主要參數(shù)</p><p>　　本設(shè)計(jì)才用的是Gambit中曲面生成方法：</p><p>　　根據(jù)修改后的型值，形成x,y,z的點(diǎn)格式，如下：</p><p>　　表3-2修改后的型值表</p>

75、<p>　　用TXT格式直接導(dǎo)入Gambit中，有點(diǎn)生成線，在曲率變化大的地方需要增加點(diǎn)數(shù)目。如下：</p><p>　　圖3-1：GAMBIT中生成的點(diǎn)圖</p><p><b>　　由點(diǎn)生面</b></p><p>　　圖3-2：GAMBIT中生成的線圖</p><p><b>　?。?）由線生

76、面</b></p><p>　　圖3-3：GAMBIT中生成的線圖未鏡像</p><p>　　圖3-4：GAMBIT中生成的線圖鏡像后</p><p><b>　　（4）由面生體圖</b></p><p>　　圖3-5：GAMBIT中生成的體圖</p><p><b>　　3

77、.3計(jì)算域</b></p><p>　　計(jì)算域：取1/2流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)計(jì)算域呈四分之一圓柱，取三個(gè)船長(zhǎng)的長(zhǎng)度；船側(cè)和深度方向各取一個(gè)船長(zhǎng)。考慮自由液面的影響，所以空氣層的高度為設(shè)計(jì)水線高。</p><p>　　由于船的左右對(duì)稱性，本設(shè)計(jì)取左舷進(jìn)行計(jì)算，取右手坐標(biāo)系O-XYZ，坐標(biāo)原點(diǎn)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><p&g

78、t;　　計(jì)算域的創(chuàng)建按照下面的實(shí)例來(lái)進(jìn)行：</p><p>　　(1)：把坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)創(chuàng)建在船艉槳軸處</p><p>　　導(dǎo)入的船模與坐標(biāo)系統(tǒng)會(huì)有一些偏差。在這一步，要在坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)位置創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)，利用這個(gè)點(diǎn)來(lái)連接船模與坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)。做這些工作可以方便以后創(chuàng)建的流體計(jì)算域所用到的體積劃分操作</p><p>　　(2)：創(chuàng)建一個(gè)流體計(jì)算域</p>

79、<p>　　在這個(gè)步驟中，創(chuàng)建一個(gè)圍繞船模的四分之一圓形，并且移動(dòng)該四分之一圓形使其中的一個(gè)面能在船體的z-x平面上，然后對(duì)四分之一圓形和船模進(jìn)行布爾操作，從而創(chuàng)建了一個(gè)流體計(jì)算域，下圖為創(chuàng)建的計(jì)算域：</p><p>　　圖3-6：船模的計(jì)算域</p><p><b>　　3.4網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　網(wǎng)格的劃分按

80、照下面的步驟進(jìn)行：</p><p>　　(1)：分割船模表面</p><p>　　創(chuàng)建一個(gè)水平面，將它移到水線處并分割船體表面，做這個(gè)面可以克服船殼曲面網(wǎng)格耦合的困難</p><p>　　(2)：改變尺度函數(shù)中的默認(rèn)的網(wǎng)格厚度</p><p>　　前面已經(jīng)完成了船模和流體計(jì)算域的建立，這一步就是要修改尺度函數(shù)中的默認(rèn)的網(wǎng)格厚度，該值應(yīng)適當(dāng)改大

81、，從而更好地創(chuàng)建一個(gè)高質(zhì)量的網(wǎng)格，在這里把默認(rèn)值16改為250，</p><p>　　(3)：將尺度函數(shù)運(yùn)用在船體</p><p>　　在這一步中要在船體處定義一個(gè)Curvature類型的尺度函數(shù)，這中類型的函數(shù)對(duì)劃分曲度較大的面網(wǎng)格很有用</p><p>　　(4)：船體表面的網(wǎng)格劃分</p><p>　　船體部分采用非結(jié)構(gòu)性的三角形網(wǎng)格，

82、其他部分采用結(jié)構(gòu)四邊形</p><p>　　(5)：設(shè)置邊界層的角度參數(shù)</p><p>　　在對(duì)稱面處的船首會(huì)形成一個(gè)很大的角度，這個(gè)角度會(huì)給在船體上設(shè)置三維邊界層時(shí)帶來(lái)很大的不便。為了避免這些不便，可以通過(guò)修改控制角度的參數(shù)，修改值應(yīng)盡量比默認(rèn)值大些，在這里把默認(rèn)值120改為350，</p><p>　　(6)：邊界層網(wǎng)格的創(chuàng)建</p><p

83、>　　這一步主要是建立邊界層網(wǎng)格，計(jì)算流體力學(xué)有個(gè)規(guī)定：在劃分網(wǎng)格時(shí)，第一層的網(wǎng)格要求足夠密，所以可以通過(guò)采用建立邊界層網(wǎng)格的方法來(lái)保證</p><p>　　(7)：查看三維邊界層</p><p>　　GAMBIT包含一個(gè)函數(shù)可以自動(dòng)劃分并顯示三維邊界層區(qū)域，因此可以在劃分整個(gè)流體計(jì)算域之前查看這個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格</p><p>　　(8)：劃分流體計(jì)算域的網(wǎng)格&

84、lt;/p><p>　　劃分流體計(jì)算域采用四面體的網(wǎng)格劃分方式。GAMBIT在邊界層上定義了一個(gè)網(wǎng)狀尺度函數(shù)，該函數(shù)能使網(wǎng)格從邊界層外表面一直延伸至整個(gè)流體計(jì)算域</p><p>　　(9)：檢查網(wǎng)格的質(zhì)量</p><p>　　經(jīng)過(guò)網(wǎng)格檢查，不存在扭曲的元素，網(wǎng)格質(zhì)量比較好。下圖為GAMBIT中船體網(wǎng)格</p><p>　　圖3-7：GAMBIT

85、中生成的船體網(wǎng)格</p><p>　　圖3-8：GAMBIT中生成的船體網(wǎng)格</p><p>　　圖3-9：GAMBIT中生成的船體網(wǎng)格</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，所劃分的網(wǎng)格數(shù)量是34萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格劃分越細(xì)，網(wǎng)格數(shù)量越多最后計(jì)算結(jié)果越精確，不過(guò)計(jì)算量大。相對(duì)本船模來(lái)講34萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格還比較合理的。</p><p><b>　　3

86、.5 邊界條件</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)首先在GAMBIT進(jìn)行邊界條件的初步設(shè)定，然后在FLUENT解算器中再進(jìn)行具體設(shè)定，在GAMBIT中，從Solver命令中選擇求解器名稱FLUENTS/6，這樣GAMBIT將會(huì)提供FLUENT5/6所具有的邊界類型。然后就可以根據(jù)具體情況為計(jì)算模型進(jìn)行合適的邊界條件設(shè)定。考慮到自由表面問(wèn)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(jù)計(jì)算模型的坐標(biāo)可知，來(lái)流方向指向X軸負(fù)方向，這里研究的船舶繞流視為不可壓縮流動(dòng)問(wèn)題，所以將來(lái)流的入口設(shè)為速度入口(velocity inlet)，該邊界條件專門(mén)用于不可壓流動(dòng)。在FLUENT中，需給定入口邊界上的速度及其它相關(guān)標(biāo)量值，本文需要設(shè)定來(lái)流速度的大小、方向及湍流參數(shù)等。一般假定在出口處來(lái)流未受到船體的擾動(dòng)影響，從而在出口處也為給定來(lái)流的速度分布。但實(shí)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(shè)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(guò)FLUENT內(nèi)部計(jì)算得到的。將船模的中縱剖面所在平面，即控制域的對(duì)稱面，設(shè)定為對(duì)稱邊界(symmetry)。在對(duì)稱</p><p><b>　　3.6 模型設(shè)定 </b></p><p>　　邊界條件設(shè)定完畢后，完整的計(jì)算模型就建好了，可以保存相關(guān)文件和導(dǎo)出具有邊界條件設(shè)定的網(wǎng)格模型

89、文件，以便供求解器讀取，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。</p><p>　　打開(kāi)FLUENT，選擇3d，進(jìn)入到控制臺(tái)窗口，將網(wǎng)格模型文件導(dǎo)入，;然后，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，尤其要避免出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格等問(wèn)題。在網(wǎng)格符合要求的情況下，就可以開(kāi)始設(shè)定求解器的工作模式。</p><p>　　因此，本文僅需要直接從FLUENT材料數(shù)據(jù)庫(kù)中選用液態(tài)水(water-liquid )，在溫度為20℃時(shí)，其密度為998.2kg

90、/m3，動(dòng)力粘性系數(shù)為0.000103Pa}S，當(dāng)然也可以根據(jù)需要改變有關(guān)物理參數(shù)。在VOF方案(VOF Scheme)中選擇幾何重構(gòu)(Geo-Reconstruct ) 。設(shè)置運(yùn)行環(huán)境時(shí)要考慮重力和使用默認(rèn)參考?jí)毫Γ礃?biāo)準(zhǔn)大氣壓。對(duì)邊界條件設(shè)定進(jìn)行修改和進(jìn)一步的參數(shù)設(shè)置時(shí)，對(duì)于本文來(lái)說(shuō)，主要就是設(shè)置入口的來(lái)流速度1，湍流參數(shù)為默認(rèn)值。</p><p>　　3.7 求解設(shè)定與計(jì)算</p><p

91、>　　在設(shè)置求解參數(shù)時(shí)，本設(shè)計(jì)選擇SIMPLE算法進(jìn)行壓力和速度禍合，全部插值格式為二階迎風(fēng)格式。由于在求解計(jì)算過(guò)程中，湍流粘度比的值容易超出FLUENT默認(rèn)的最大值，導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法進(jìn)行，所以需要將求解限定項(xiàng)中的最大湍流粘度比的值調(diào)大。為了使求解結(jié)果比較精確，將FLUENT中的收斂殘差限調(diào)整到一個(gè)較小的值1X。計(jì)算中采用了變化的時(shí)間步長(zhǎng)，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)迭代計(jì)算次數(shù)設(shè)定為10次，這有利于節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算的效率。</p>

92、<p>　　到目前為止，商業(yè)CFD軟件FLUENT在船舶繞流模擬中的應(yīng)用還正處于起步階段，因此，在一些模型參數(shù)的設(shè)定上采用的都是FLUENT的默認(rèn)設(shè)置，而這些默認(rèn)值是否恰當(dāng)還有待大量的計(jì)算研究分析。完成所有的相關(guān)設(shè)定以后，就可以用入口的流動(dòng)初始條件初始化整個(gè)流場(chǎng)的解和進(jìn)行求解計(jì)算了。在求解計(jì)算的過(guò)程中，可以通過(guò)檢查變量的殘差、統(tǒng)計(jì)值、力的收斂趨勢(shì)等，如以下圖所示，這些是在FLUENT計(jì)算前期的一些邊界條件的設(shè)置和阻力監(jiān)測(cè)的

93、圖片，隨時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)視計(jì)算的收斂性和當(dāng)前計(jì)算結(jié)果。</p><p>　　啟動(dòng)FLUENT，進(jìn)入3D模式 </p><p>　　操作：開(kāi)始-程序-fluent-3d run</p><p>　　讀入3D網(wǎng)格文件sheji.msh 操作file-read-case…</p><p><b>　　網(wǎng)格檢查</b></p&g

94、t;<p>　　操作Grid-check</p><p>　　建立求解模型（保持Solver求解器設(shè)置不變）</p><p>　　操作 Define-Models-Solver..</p><p>　　設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)K-湍流模型</p><p>　　操作Define-Models-viscous..</p><p&

95、gt;<b>　　設(shè)置流體的物理屬性</b></p><p>　　操作 Define-Materials..</p><p>　　點(diǎn)擊Fluent Database</p><p><b>　　設(shè)置壓力參考點(diǎn)</b></p><p><b>　　阻力設(shè)置</b></p&g

96、t;<p>　　水線面設(shè)置Surface--Iso-surface </p><p>　　操作在surface of constant欄選擇如下圖</p><p><b>　　設(shè)置邊界條件</b></p><p>　　操作Define-Boundary Conditions.. </p><p>　　設(shè)置冷

97、水口邊界條件：在Zone欄中選擇air in,則在右邊Type欄內(nèi)顯示其類型為Velocity_inlet.</p><p>　　點(diǎn)擊SET…則打開(kāi)“Velocity Inlet”設(shè)置對(duì)話框如下圖</p><p>　　出口設(shè)置邊界條件在Zone欄內(nèi)點(diǎn)擊 water-out 在右邊TYPE欄內(nèi)顯示其類型為outflow到此邊界條件均設(shè)置完成</p><p><b

98、>　　k.求解控制</b></p><p>　　操作Solve-Controls-solution…在Discretization（離散化）下，選擇Momentum(動(dòng)量、沖量)項(xiàng)的Second Order Upwind;</p><p>　　選擇Turb lence Kinetic Energy(湍流強(qiáng)度)項(xiàng)的Second Order Upwind;其他不變點(diǎn)擊OK，關(guān)

99、閉對(duì)話框</p><p><b>　　l.求解</b></p><p>　　操作Solver-Initialize-Initialize…</p><p>　　打開(kāi)Solution Initialization 如下對(duì)話框</p><p>　　存Case文件（guan.cas）</p><p>　

100、　操作File-Write-Case 輸入文件名點(diǎn)擊OK。</p><p>　　開(kāi)始進(jìn)行10000次迭代的計(jì)算</p><p>　　操作Solver-Iterate 在打開(kāi)的Iterate對(duì)畫(huà)框中的Number of Iterations欄內(nèi)輸入10000; 點(diǎn)擊Iterate.</p><p>　　保存data文件sheji.gz操作File-Write-Auts

101、ave</p><p>　　在Data File 一欄填入：sheji.gz點(diǎn)擊OK</p><p><b>　　圖3-10：殘差圖</b></p><p>　　圖3-11：阻力監(jiān)測(cè)</p><p>　　3.8計(jì)算結(jié)果與分析</p><p>　　在船舶工程研究中，一般應(yīng)用無(wú)量綱速度參數(shù)，常用的主要

102、有傅汝德數(shù)和雷諾數(shù)。</p><p><b>　　傅汝德數(shù)的定義為：</b></p><p>　?。ü?3.1 ）</p><p><b>　　式中：——船速，；</b></p><p>　　——船舶水線長(zhǎng)或垂線間長(zhǎng)，；</p><p>　　——重力加速度， 。</

103、p><p><b>　　雷諾數(shù)的定義為：</b></p><p>　?。ü?3.2 ）</p><p><b>　　式中：——航速，；</b></p><p><b>　　——船長(zhǎng)，；</b></p><p>　　——水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)， 。</p&

104、gt;<p>　　摩擦阻力系數(shù)是根據(jù)1957ITTC公式得出，其公式如下：</p><p>　?。ü?3.3 ）</p><p>　　粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)按照一下公式計(jì)算：</p><p>　?。ü?3.4 ）</p><p>　　根據(jù)本船主尺度情況，設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水時(shí)相關(guān)補(bǔ)貼（即實(shí)船粗糙度補(bǔ)貼）取0.0004.</p

105、><p>　　實(shí)船總阻力系數(shù)的取值按照下面公式：</p><p>　?。ü?3.5 ）</p><p>　　實(shí)船總阻力按照下面公式計(jì)算：</p><p>　　（公式 3.6 ）</p><p>　　式中：——實(shí)船總阻力系數(shù)；</p><p><b>　　——海水密度，；</b&

106、gt;</p><p><b>　　——航速，；</b></p><p>　　——船舶濕表面積， </p><p>　　船舶有效功率按下式計(jì)算：</p><p>　?。ü?3.7 ）</p><p>　　式中：——實(shí)船總阻力，；</p><p><b>　　

107、——航速，；</b></p><p>　　當(dāng)船長(zhǎng)傅汝德數(shù)為0.31時(shí)，小水線面雙體船船模的船體周?chē)杂梢好嫘螤睢?dòng)壓力分布云圖如下圖所示： </p><p>　　圖3-12：船體表面壓力云圖</p><p>　　圖3-13：船體表面壓力云圖</p><p>　　圖3-14：船體周?chē)杂梢好嫘螤?lt;/p><p&g

108、t;　　圖3-15：船舵處壓力分布云圖</p><p>　　由上圖可以看出，舵機(jī)處壓力分布比尾部還要小，根據(jù)流體力學(xué)的原理，水流在螺旋槳處容易形成空泡，導(dǎo)致舵機(jī)處水流壓力較小。所以舵機(jī)處呈現(xiàn)綠色的一塊區(qū)域。</p><p>　　圖3-16：船舯處壓力分布云圖</p><p>　　相比較前面船艉和舵機(jī)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(jī)處都大，主要是

109、因?yàn)樵诖碧?，?dāng)波峰或者波谷在船舯的時(shí)候，船舶形成中拱或中垂的狀態(tài)，導(dǎo)致船舯處受力比較大。</p><p>　　圖3-17：船艏處壓力分布云圖</p><p>　　通過(guò)上面的這個(gè)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?yàn)榇w表面壓力主要是由水的粘性壓力和動(dòng)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(dǎo)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。</p><p>　　圖3-18：船前均勻來(lái)流壓力分布云圖</p><p>　　通過(guò)圖3-18我們可以看出，在船前來(lái)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。</p><p>　　圖3-19：船舯剖面壓力分布云圖</p><p>　　圖

111、3-20：1500橫剖面壓力分布云圖</p><p>　　通過(guò)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?yàn)榇w表面壓力主要是由水的粘性壓力和動(dòng)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(dǎo)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(dāng)波峰或者波谷在船舯的時(shí)候，船舶形成中拱或中垂的狀態(tài)，導(dǎo)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(dǎo)致舵機(jī)處水流壓力較小。</p><p>　　圖3-21：Y=6400壓力分布云圖</p><p>　　上圖是當(dāng)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?yàn)樵谶h(yuǎn)離船舶的地方，水流的壓力受船舶的影響很小，幾乎沒(méi)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。</p><p>　　圖3-22：計(jì)算域底部壓

113、力分布云圖</p><p>　　圖3-23：船底處壓力分布云圖</p><p>　　圖3-23是計(jì)算域底部壓力分布云圖，通過(guò)這幅圖，我們可以看出，在計(jì)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(duì)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(yīng)液面高度處的壓力小，那是因?yàn)樵诖昂叫械倪^(guò)程中，由于艏傾，尾部螺旋槳不但提供了船舶前