基于fluent计及浮态变化中高速船阻力预报方法研究

1、目录引言21高速船的特点11. 1 fluent 概述11. 1. 1 eluent的主要功能11.2 fluent的应用领域22 fluent下船体压阻力比较22.1不同尺度船体压阻力系数的计算结果分析与比较32.2剩余阻力与压阻力的分析与比较42.2.1船艏与船尾压力比较62.2.2船模在层流下自由而波形图比较133无黏理论下的阻力预报15#考文®t 17附录错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。基于fluent计及浮态变化中高速船阻力预报方法研究摘要：船舶阻力在船舶快速性扮演着重要的角色。在现在的技术发展下，船舶cfd技术发展也越来越快。流动的数值模拟仿真软件（如流利。cfx

2、。），也在不断发展和完善高速船的速度范筹覆盖 排水和局面的两个半排水，在这断流体能量速度的船体将有重大改变。且船体浮态会随航速发生重 大变革。但是关于航速要求较高的船舶，在设计过程当中需要按照现实情况需要选用较大的船宽和 吃水，从而致使船体的排水量长度系数较大。高速船船型设计的关键技巧之一便是其水能源性能的 确切预告，实船的阻力预报继续是外界紧密关注的目标。本文最重要的是使用fluent对高速船的 阻力预报方法进行剖析。关键词：fluent；快速船；阻力；阻力预报study on the method of forecasting the resistance of high speedves

3、sel based on fluent and floating changezhangdi(college，professional，class, school number)abstract： ship resistance plays an important role in the rapidity of the ship. under the current technological development, ship cfd technology is developing faster and faster. the flow of numerical simulation s

4、oftware (such as fluency .cfx.) is also constantly developing and improving the speed of the high speed craft to cover the drainage and the situation of the two semi-drains，in which the fluid flow rate of the hull will be significantly changed. and the hull floating state will be a major change with

5、 the speed. however，in the case of ships with high speed requirements, it is necessary to select larger widths and drafts in the design process，resulting in a larger coefficient of length of the hull. one of the key skills in the design of high-speed craft is the exact prediction of its water energy

6、 performance. the forecast of the ships resistance continues to be a close concern. the most important thing in this paper is to use fluent to analyze the resistance prediction method of high speed craft.key words: fluent; fast ship;resistance;resistance forecast引言 快速（如浮力、稳定性、抗沉性、耐波性和操纵性能的快速 等）。快速性可

7、以将战艇的作战效能和生命力有一定的提高。所以，就船舶 的初期设计最重要的一点就是要对船舶严谨的快速性的设计。在对船舶的 设计完成之后，对于船舶的是否可以达到预期的设计目标是船舶检验的重 要环节。在船舶模型的检测时，将船舶按照一定比例缩小为模型与实船作 对比。但因为船舶的概念模型与船舶的本身在规模上存在差异，船舶模型 与实船的雷诺兹数与船的数量有一定的差别，事实上不可能有一个简单的 雷兹数相等。为了达到在实验中的湍流效果，它往往是通过加入一个急流 的水从一定的点的船模型，己诱到湍流。通过改变零件的局部光滑度，由 此可令零件变得粗糙，进而加强阻力。进行模拟实验时，可进行数值模拟 真实规模，而不作为

8、实验环境的大小改变。不管是在理论层次还是在实验 层次的研究，所有的工作的目的是真正的船舶，是为丫更好的促进造船工 业的发展。1高速船的特点高速排水型船由于它的速度很快的特点，大都是使用方尾式。在水流速高时，该类 船舶就表现出与一般船舶的不同，这类船舶的不同点为：第一、水流会在船体的后方形 成鸡尾流流走；第二、船尾部的背面只有轻微的杂乱，船舶不再是欧凯文波系统的波； 第三、船舶的娓封板不会被水浸泡，相反，它是在空气中的。进而有一定的虚长度。除 此之外，在高速航行时，高速排水型船的航态与其他的船型将有十分明显的不同，这些 不同会在很大的程度上对行船的流场产生很大的作用，进而会使得兴波阻力会发生很大

9、 的不同。综上所述，告诉排水型船一般都是通过改变船尾的方式来改变行驶状态，进一 步来实现阻力降低的目标。1.1 fluent 概述fluent是一种特殊的cfd软件模拟仿真和分析复杂收集区的流体流动和热交换， 并广泛应用于航空、船舶、环保、汽车等。基于有限体积法的fluent,简单的算法可 以用来对较为繁琐的实验模型进行模拟。fluent会因实验模型面临的问题和其特点来 选择较为适合的运算方法，努力提高运算效率和运算的准确性、较强稳定性。比较而言, cfd的一些不同的软件，拥有如下特性：（一）拥有较强的稳定性，在大量的反复的验证之下，fluint与实际的运行状态并无差异；（二）使用的范围大、并

10、且可以面向全部 的流体类；（三）精度高，准确度可达二级；4级。（四）针对不同的运算要求对模拟网 格有所改变，在运算效率的加快、运算结果的准确性两方面都会有不小的改变。1.1.1 fluent的主要功能fluent运用在对围绕不规则外形物体流体流动与其热传导实验 的计算机流程。利用非结构网格以缩小产生网格的时间，它不仅能够使用在特殊的情况k的网格拓扑结构，还能够在混合型非结构网格的情况卜使用。为丫便于建模，根据网格修改实际情况（细化/粗化）。fluent还可以选择自适 应和块结构两种网格（如，流畅程度与其他cfd求解器）。在流场2的大梯度地域，自适应网格完全因为确切的预测流动和结构化与块结构这

11、两种网格，该特点是在很大程度上缩短构建网格的时间。不仅拥有既定的精确度，网格 细化这种方式还是非常简单的，降低了计算成本。网格细化不仅仅受限于网格的解域。简单明化/几何形状的模拟和网格产生过程。 fluent还可以选择自适应和块结构两种网格（如，流畅程度与其他cfd求解器）。在流畅的交互界面下，完成菜单界面的计算和显示界面的解决。高级用户用菜单宏 和菜单功能來定制和优化界面，并根据用户的需要开发网格格式生成的人部分cad/cae 软件都可以。1.2 fluent的应用领域在很多领域的研究方面有着重要的应用，如，海陆空的建造工程、机械与能源化工、 电子电力等。世界巨大工业部门的流体流动模拟。cf

12、d软件可以对船体形式，螺旋桨形状，排气装置或者能量冷却系统的设计有影响。 cfd技术是比较合适的那些昂贵的实验在拖曳坦克或实验室规模模拟。焊接、喷漆及有 毒烟雾、粗砂爆炸、发动机位移等方面使用fluent软件进行产品仿真并顺利完成。cfd 可以避免优化性能和安全性和识别操作系统。总之，fluent软件在不可压缩/可压缩流 动的流场屮有重要的作用。流利是一种实用有效的软件。2 fluent下船体压阻力比较浮态调整方程船舶作为刚体时，在水稳时一定要保证力和力矩之间的平衡关系。v f = 0（1、 2）m=0外力用f表示；外力对重心的力矩用m表示。这是浮态平衡方程。木文釆取的是一 种简化形式的迭代计

13、算。木文提出了一种简化的迭代计算格式。首先，假设是在水域中 的船舶的表面面积保持不变；然后，浮态调整非常缓慢。然后浮动状态很慢。根据上述 两种假设，由下列方程确定了垂荡和垂向烧度的计算公式（3、4）f = mg 4- pgsd m=gmlsine上式中：在垂直方向船体所受压力（s方向）船的质量m;船体的上升与下降 间的差倌（向下是te方向）是ad: s是因水线而而提出的：在横向（v方向）对于船体重 心的压力用m表示；排水量在纵向船体的纵向稳定度高艉倾为正方向为船 体纵倾角。由运算可得垂直力与力矩之间的关系继而验证平衡方程。若没有达到平衡方程（1、2）的要求，将带入型（3、4），计算浮态调整量，

14、改变船舶的浮态，重新计算。 流和层流粘性理论计算船体耐压性能的分析与比较161412i10<d<dcts642%0.15turbulencelanuiiar0.20.25fn0.30.350.4图2. 1湍流和层流粘性对船体性能的影响如图一所示，在一系列工作条件下的阻力量的分析和比较，船舶的压阻力值是和对接近湍流和层流黏性理论计算。但真正基于理论计算的基于层流紊流理论的船舶阻力计 算使用时间较少，但在误差允许的情况之下，可选择层流，对于阻力的计算运用傅徳定 律。2.1不同尺度船体压阻力系数的计算结果分析与比较模拟数值实验的h标是对船舶绕流的实际结果的运算，相对比之下，这也是它优于

15、其他实验的地方。在实际情况下，使用湍流理论，雷诺兹数高达109,这需要高度的流 场。因为数值黏性的存在和网格的稀疏，会使波的减弱，所以就会对波浪有着非常重要 的影响。网格引起了相当大的不确定性，因而船舶在数值模拟的流场下是极大的。继而， 船舶周围流场的数值模拟是非常大的，现在仍不存在一种用来运算较小规模计算机工作 站流场的方法。但是，对于层流理论的实船值计算，不必要顾忌巨大的雷诺数，因为不 存在巨大的数值黏性，在网格数量方面，其并不需要较高的要求，对阻力的计算若选择 此类方式。船模的雷诺数量级大都是106,就如今的计算机的计算水平而言，对raxs 方程进行求解时，大都能够满足网格的要求。在船舶

16、模型的大小方面而言，当网络数量 达到一定量时，很难突破网格的精度。于是，耍采用合适的方法来预测阻力。对于船体 阻力预测，船体周围网格影响比较大，所以可以采取预测的阻力增加周围的船体网格措 施，远离船体，网格选择是罕见的，这样，虽然在波反射效果不是很好，但也可以预测 的电阻，并且可以大大减少网格的数h。图2是对层流理论的船舶轻体试验模型和船舶压力元件进行对比，能够得出船舶的 大小具有极大的差异，可是在水平压力阻力系数方面表现的并不明显。这两方面的计算 耗时方面，虽然标准是不同的，但长度的时间步长也类似，在波形趋于稳定过程中的收 敛和阻力的时间花费在差异不显著。数值计算结果表明，该船和船模，压阻系

17、数和船舶模型与实验值吻合的很好，这口j 以解释在不同尺度下的压阻力值预测仿真可以通过数值比较实船。2.2剩余阻力与压阻力的分析与比较波浪、摩擦和粘性三种阻力构成船舶总体阻力的重要原因。其总体阻力可分为摩擦 阻力和粘性阻力。黏压阻力占船体总阻力的比例较小，小部分的船舶总阻力的粘性阻力 账户，特别是高速，重量较小时，很难与之区分波狼阻力，因而一般情况黏性与兴波两 种阻力被叫做残余阻力。如今，通常维待船舶的粗数与组织实验相等，进一步计算阻力。 选择傅汝德法处理船模阻力试验数据并且对实船阻力进行预测，实船总阻力系数：摩擦 力系数与剩余阻力系数之间的加和。利用傅汝德假定，实船和船模的剩余阻力系数相同。比

18、较船体剩余阻力系数和实验得出压阻力系数，图3所示，船模实验的剩余阻力系 数用点閼线表示，层流理论运算来的光体实船压阻力系数由菱形表示。.5y ' ' 6.15 * ' 'o'i * ' 6.25 * * q.3 ' ' 6.35 ' ' qafn4 5 3 5 2 5 1 3.2.1图2. 2模型计算结果和实船阻力图2. 3船舶阻力系数和阻力系数上述可得，层流黏性理论的支撑之下，比较剩余阻力系数，实船和船模的实验结果 和同，尤其是在较高的傅汝德数情况下，实验结果更为相同。fluent预测船舶模型的阻力，利用湍流粘性

19、理论，可以有效地模拟船舶总阻力。选择层流黏性理论进行运算，运算结果显示压阻力与剩余阻力两种系数大致相同。实船 总阻力的计算，选择cfd，运用数值运算运算出来的压阻力系数，可以相似于实际情况 下的剩余阻力系数，由1957ittc公式计算以及总阻力系数，进一步由傅汝德法可得摩 擦阻力系数，最后即为所求。经由cfd的方法，选择使用层流黏性理论数值模拟实船，再使用傅汝德法进行有关 计算，进一步可得实船总阻力，如表1，其屮尺=1/2a.v人取1026.22kg/m3。fluent预测船舶模型的阻力，利用湍流粘性理论，可以有效地模拟船舶总阻力。 采用层流黏性理论进行数值计算，理论计算所得压阻力系数与试验所

20、得剩余阻力系数相 当。对于实船来说，数值计算并采用cfd的方法得来的压阻力系数，能够接近于实船的 残余阻力系数，而用1957ittc公式求得摩擦阻力系数，其总阻力系数根据傅汝德法可 以求得并算出其实船总阻力。通过cfd方式，采用层流黏性理论数值模拟实船，通过傅汝德法换算，可以得出实 船总阻力如表1所示，其中尺=1/2/7x14，/?，取1026. 22kg/m3o表2.1基予层流理论换算的实船总阻力vs (m/s)傅汝德数fn实船剩余阻力系数(*e3)实船摩擦阻力系数(*e3)实船总阻力系数(*e3)实船总阻力rt(kn)4.1160.1670.8481.6792.52713.75.1440.

21、2081.1831.6312.81423.95.6590.2291.3571.612296930.56.1730.251.6001.5943.19439.06.6880.2711.6511.5783.22946.37.2020.2920.7591.5633.32255.27.717().3131.8211.55()3.37164.38.2310.3331.8611.5373.39873.88.4880.3441.9561.5323.48880.58.7460.3542.1551.5263.68190.29.0030.3652.6361.5204.156107.99.2600.3752.8431

22、.5154.358119.79.5170.3863.2001.5104.710136.78.2310.3331.8611.5373.39873.88.4880.3441.9561.5323.48880.58.7460.3542.1551.5263.68190.29.0030.3652.6361.5204.156107.99.2600.3752.8431.5154.358119.79.5170.3863.2001.5104.710136.72.2.1船艏与船尾压力比较船体运动过程屮，波浪上升，船体表面压力分布随波浪的变化而变化。船尖的波峰 会导致头部压力增加，而尾槽降低尾部压力，导致头部和尾部之

23、间得流体压力差，在湍 流理论基础上给出了船体表面压力图。5d 典 <123 82e-rt321.04126 3bo4014 37e ki1 -1.£0e*<q -2£6et<q 3 b3c«2 4 e3b«2 -5 750-k2 -6.ef2et<q -7®ekc b 94e«21 uehb -1 2lekg -1.32e*<q 1.43e4£8 1.53c*03图2. 4船体总压力0. 92m/s861e4k7.439-4226 24? 402 5060402 397g4k 26bo403 1

24、 5teo2 314401 0 72f-ki1 2 c6eke 3.24e<q 4 43e+<e -6 6le-ko 6.e0e4<g -7 f6e-h：q 9.17e<q -1 d4cw3 -1.l5e4£e 1 27e+b3 1 59u+03 1 51e-hb图2. 5船体总压力1. 15m/s1.02e<6e.94e<g7.68ekgg.42e<05.16e<g2.e4ckcib-icol.25e4ol-1 13em322快他-3.et<r24.91*02-617eto2-7.oet02-9»e*c2 -1 12e

25、k13 -135o403 -i 37em33 -i 9dem33图2. 6船体总压力1. 265m/s1 18e4cs1 dsckq 9.12ekg 7796 4cg 6 45 cc 5 12o<c 3 70e<l22 45e4o2 1 12o4c2 2.19emi 1 55eh)2 -2.99eto2 4 22eto2 -5 ffieto2 «6 的23e*o2 -9 35eh12 -1.q9ehj3 -1.22emj3 1 «eto3 1 蜘 kt3图2. 7船体总压力1.38m/s1 3&c-4o3 1.239403 1 0be4o3 a3fo&#

26、171;*q27 9&q402 654eto2 51x2 37cm32 22&3ho2 8.5&?401 5 e4c+ol 1胁 kg 3 40cw2 4 62b 402 b 24e+cc 7 efio4o 9 ce«ki2 -1 cce-kq 1 19 -1 ：<3eo 1 48ekq图2. 8船体总压力1. 495ra/s1 95afg3 1.41eto3 1 35e413 1.11e<f3 9 5?eq2 a.reem2 6 55e412 5d4e*(12 3 «。叩 2d1ehl2 5 028tfll 1 0le<l2 2

27、52e<l2 a o3et»2 5 &40402 -7.c6e<l2 -e67eo2 1.01 e-os -1.l6etq3 -1 31e403 .1 4gdo3图2. 9船体总压力1. 61m/s1 7be-m31.626-m331 45fi-«31：kle4031 14c-k139 79fl-*02b1be4q2b67o-kj24g6c4q23 36o-*<l21 75040211.47e<q107et£qfl.kew2-6.29e4h2-9.5i&w2-1.11et£q-1.27e*£t3-1.x3

28、e4h3图2. 10船体总压力1. 725m/s2026403 i a5e4i3 i66b<t3 l.51etg3 1 34a<i3 l 17e<0 99ec-*a2 b25cq： &.54e4)2 4a3e4q2 312to21 4cte-to2 -3 0084012 d2e4q23 73o4q2 5.456402 7 16e4q2 8 67eo2 -1.c6e<l3 .1 23el3 1 40e k)3图2. 11船体总压力1. 84m/s2.16640315be4q31£oo-ki3163e4q31 4504031 27e-w31 1do4q39

29、4027 4304025e6a4q2350o4q22130023eoe-h1-1.xie*o2-3.18eto2-4.94eto2-6.71e+o2.l8e*o2-1.02et03-1.23eto3i.semq图2. 12船体总压力1. 898m/s2 23em3 2 11e4l3 1.93&mj3 1 75e413 1.5setg3 1.33emj3 1 20et031 o2etg3 8 34eto2 65leto2 4 09q*o22 35e412 1 04g42 7.we<n -2b1c4q2 -4j3e4q2 -5.25e4q2 q c6et02 -9.1 e<12

30、 -1 !7b403 1 s6et030 2.13船体总压力1. 955m/s2 420+032 23e<g 2.q4e<g 1 66oce 1.67e<0 1 48e4os 1kg 1 idekb d.ueicc 7 25ek2 5 37o4023 49e4o2 1 eoq4o2 2 aaem1 2 16omd 4 o5efo2 -5 93o*q3 7 61eto2 g 70o*02 1 16e*o3 1 35eki3图2. 14船体总压力2. 0132.66e<t32.3?et£q2.17e4c3i.gao4ca1.99e*o3 1 物仰 1.3x0 1.

31、0ec3 8.07e<2 b.12em32 i.lfeme 2.23e4o 2.79e41 -1 67042 <362eo2 厶57etc2 7 5leo2 -9.46e<l2 1 14eo3 1 34mq3图2. 15船体总压力2.07m/s2 7dc-4032 50e-k132 3dc-k1321db4031900-k13170e-t0315do431 .xih331qb0-mj3日 93e<l2692eo24 910022g0e-k12e.87e4q|1.13eke-3.14cq-5.15e4j2-7.16eh32-9.17£i21.12w3-i.32e

32、43®2. 16船体总压力2. 128m/s综上所述，船体的速度影响船体表面所受到的压力，船体的流体速度越快其表面所 受压力就越大。尤其，船艏与船尾的压力显著增强。船体的速度和所受压力成线性关系， 速度越快压力越大。随着速度的增大对于横向比较，船艏压力比船尾的压力增长快。层流与无黏理论，壁面粗糙三种情况的预设的船体所承受的不同的压力改变情况就 不在具体表述，进一步在一系列的相关计算得出稳定结果后，把船体压力所经受的最大 值绘制成表，比较可得以下变化（表2）。表2. 2船模表而最人压强fnvm湍流层流无粘0.167(m/s)0.92total pressure (pa)594.1635

33、75.1882595.1640.2081.15861.1296850.3989861.4890.2291.2651019.777998.04851022.4530.251.381179.0611150.8711180.8760.2711.4951363.6111340.511365.4570.2921.611561.5791526.0861532.2480.3131.7251782.7041748.4561783.9810.3331.842023.8221996.7922026.4860.3441.8982157.4082138.0362160.8810.3541.9552293.273227

34、7.1492295.3710.3652.0132420.1492407.0362421.0350.3752.072560.4482539.9822561.6890.3862.1282704.0492689.2022705.4972.2.2船模在层流下自由面波形图比较船模尺度，基于层流理论，自由面波形如下:图2. 17自由而波形阁：fn=208. 0图2. 18自由面波形图:fn=25. 0图2. 19自由面波形图:fn=271.0、>,图2. 20自由面波形图:fn=313. 0图2. 21自由面波形图:fn=344. 0图2. 22自由面波形图:fn=354. 0图2. 23自由面波形

35、图:fn=365. 0图2. 24自由面波形图:fn=375. 0综上比较可知，船舶的层流黏性理论下：自由面波形相对完好，航速越大波形的展 开就越显著。3无黏理论下的阻力预报无黏情况、揣流和层流理论三种情况下，船体表面最大压力大致相同。实际 状况下，其压力分布也是十分相似的。更深一步的研宂实验结果的压阻力系数，其阻力 系数也拥有一定的相同性。下图为兴波阻力系数和实验压阻力系数的对比3.52.51图3.1非黏滞波阻力系数与残余阻力系数比较在高速下，实际测量的残余阻力系数比阻力系数高；在低速状态，残余阻力系数却 比计算兴波阻力系数要低。兴波和黏压阻力统称为剩余阻力。在理论层面上，剩余阻力与兴波阻力相比较而言, 前考是大于后考的。但是，实际屮船模试验会有急流效应的出现，因为增加y总阻力。 由傅汝德法计算出来的残余阻力会偏大一些；在另一层面上，它表现出受速度的影响。 在较低速度时，由于船模层流效果的影响，与摩擦阻力计算根据平板湍流公式大于实际 摩擦阻力，最终导致残余阻力减小。研宄还表明，船舶的绕流状态随傅汝德数的变化非 常复杂的，而广义粗数的数值模拟不是一个在多种变量卜进行比较的模型。黏性情况下, 由于黏压阻力的存在，最后所得压阻力系数会因为黏性