基于fluen的双体船水动力计算的不确定因素分析

基于fluen的双体船水动力计算的不确定因素分析

近年来，多艘船的发展取得了很大进步。由于广阔的甲板面积、良好的操纵性、良好的横向稳定性、较好的耐波性、速度快等优点，双体船在军用用地和民用方面发挥了大量应用。因此，双体船的预测和研究成为国内外双体船阻力研究的热点。在实验方面，邵世明、唐忠谷、刘维东等中国科学家进行了相关研究。在计算方面，杨少刚等人使用rankin方法计算了高速双体船的波阻力，并考虑了处理方尾问题。邹早建等人开发了基于rankin原理的防御系统。陈景普等人使用改进的dawon方法来预测单体船和三体船的波阻力。黄德波等人使用势流理论方法和粘性力学软件研究了双体船、sw、双体气垫船和三体船的阻力。自从英国帝国科技大学SpaldingD.B.教授的博士生AbdelmeguidA.M.对船舶水动力学计算获得显著进展之后,引发了船舶计算流体动力学(computationalfluiddynamics,CFD)的研究热潮.随着计算机技术的高速发展,涌现出许多(如PHOE-NICS、FLUENT、STAR-CD、CFX等)基于CFD软件群思想以及粘性理论的CFD软件,逐步应用于船舶绕流场的数值模拟.然而,就目前的数值计算而言,尚存在多个影响计算的因素,其中主要的影响因素有网格生成、湍流封闭模型以及数值算法.虽然这些因素一直受到关注,但是至今没有给出可应用于实际工程计算中的量化的结果.本文就这三方面因素对双体船阻力的计算进行了探讨,针对双体船船型提出了建议的计算方案,经计算验证具有一定的适用性.1双体船模单片体流场仿真本文采用船模作为数值计算的对象,船模缩尺比1∶20,水线长2.71m,湿表面积1.77m2.单侧片体船宽0.186m,吃水0.13m,两片体中心间距0.65m.图1为计算所采用的双体船数值船模单侧片体.忽略流体的可压缩性,流场的连续性方程为RANS方程为计算采用VOF方法,用结构化网格离散流体域.船体表面及流体域边界定义为无滑移壁面,流体域采用速度入口和自由出流出口.两片体中间设置对称面以考虑片体间干扰.边界设置如图2.2船舶绕流网格网格模型在CFD模拟的过程中,网格设计是对计算结果影响较大的因素.对于船舶绕流这一特殊的领域,在采用结构化网格的情况下,对网格生成的研究也就是对船体表面网格尺度和流体域网格节点分布的研究,以下将对这2个问题逐一讨论.2.1船模网格划分本文选取结构化网格,对计算船模表面分别采用8、12、16以及20mm,即船长的3.0‰,4.4‰,6.0‰和7.4‰的网格进行划分,流体域的网格数分别为190、54、26和12万网格.其中船体表面采用8mm网格划分时离散流体域所使用的网格数已经是作者使用的计算机所能承受的最大值;而由于双体船吃水较浅,采用20mm网格进行划分时网格已经比较稀疏,继续增大网格尺度将不能保证网格贴体以及准确捕捉流场细节.船模航速为4.6m/s,即实船40kn时各种网格划分下的阻力计算结果随时间步的变化如图,其中l为船体表面网格尺度.从计算结果上看,不同船体表面网格尺度的收敛计算结果与试验值相比,最大误差约4%,而其相互之间的最大误差约7%.船体表面采用8mm网格时计算收敛较快,但是网格数量过大,带来的舍入误差的累积不可忽视.采用20mm船体表面网格的计算结果收敛速度较慢,需要更多的计算时间.12mm和16mm网格的计算结果收敛速度较为相近,具有较好的计算精度和健壮性以及收敛性.考虑到采用16mm船体表面网格时计算成本更低,在实际计算中船体表面可以采用16mm网格进行划分.针对双体船船模而言,建议采用船长6.0‰左右的网格对船体表面进行划分,再对流体域进行离散,所得到的计算网格具有一定的计算精度,并且计算成本较低.2.2海表网格的距离船体表面附近的流动复杂,试验和数学分析表明,这一区域的流动可以分为粘性底层和对数律层,而这两层之间则存在一个过渡区.湍流边界层分布的示意图如下.为了较准确地捕捉船体表面附近的流动细节,需要在固壁附近配置较多的网格节点,并且需要配合壁面函数法进行处理.船体表面附近的网格节点一般成等比分布,第1层网格节点的高度即为等比数列的首项,节点分布系数r*为比例系数.船体表面第1层网格节点的高度通常以其无因次参数y+表示,y+采用如下计算公式:其中,y为第1层网格节点距离船体表面的高度,L为船体长度,Re为相对船体长度所定义的雷诺数.有研究指出,y+的值应该满足30≤y+≤200,相应地给出采用以上公式计算的y+在30~200第1层网格节点距离船体表面的高度.在选取6.0‰船长作为船体表面网格尺度的基础上,划分了6套网格.Grid1~Grid3采用船体表面第1层网格高度分别为y=0.4mm,y=0.8mm和y=1.6mm;Grid4~Grid6采用更小的r*,以r*≈1.06为例,同时仍保持距离船体表面第1层网格的高度为0.4mm,0.8mm和1.6mm.两种情况下y+值均相同,约为56.2,112.5和225.0,6种网格划分如图5.船模计算航速4.6m/s,比较相同y不同r*的网格在计算过程中的船体阻力值,如下图.比较计算结果可以看出,当y+值相同时,选取较小r*的网格有很好的计算稳定性,收敛速度和计算精度.如果第1层网格节点设置不当,采用过大的r*会忽略掉一些流场细节,严重影响计算结果,如Grid2网格的计算结果,随计算时间的增加有发散的趋势.因此,在实际的计算中,建议采用较小的r*.对于r*≈1.06的各种网格来说,y+的值在56.2~225.0的网格划分有相近的稳定性和收敛速度,仅是计算结果的精度不同.在此基础上,仍以r*≈1.06为例,分别选取了第1层网格节点距离船体表面距离为0.4mm、0.8、1.0、1.2、1.6和2.0mm,相应的y+范围约为56.2≤y+≤281.2,计算船模航速取4.6m/s,前7000时间步阻力的计算结果如图7所示.第1层网格节点高度为0.4mm的网格计算结果和其他网格分布形式的计算结果相差较大,而0.8≤y≤2.0mm第1层网格节点高度的各种计算结果的精度和收敛速度都相近.因此,对于3m左右的双体船船模而言,结合相关文献的建议范围,在实际计算中,y+取值范围选取100≤y+≤200即可满足计算精度的要求,但同时建议取较小的r*.3计算结果对比在基于有限体积法的离散方法中,各种形式及不同精度的离散格式往往是针对对流项的离散而言的.尽管形式上它们只是一阶导数项,但是由于对流作用带有强烈的方向性,使得对流项成为最难处理的导数项.有研究指出,至今尚未能确定最优的对流项离散格式,仅倾向于三阶迎风格式.选取船体表面网格尺度为6.0‰船长,y+=141,即y=1mm,r*≈1.06,船模航速为4.6m/s,对比一阶迎风格式、二阶迎风格式、QUICK格式和三阶MUSCAL格式前4000时间步的阻力计算结果,除了三阶MUSCAL格式在计算过程中发散之外,其他的计算结果参见图8.图示的计算结果中,3种离散格式的收敛速度和稳定性相近.以一阶迎风格式为代表的低阶离散格式虽然计算时间较少,并且绝对稳定,但是计算精度较差.以二阶迎风格式为代表的较高阶精度的离散格式在计算结果绝对稳定的基础上,考虑了物理量在节点间分布曲线的曲率影响,提高了计算精度.以QUICK格式为代表的高阶离散格式虽然理论上精度较高,但是在实际计算中并不比二阶迎风格式有更快的收敛速度和更高的精度,但是占用的计算时间却偏多.对于类似三阶MUSCAL格式等更高阶的离散格式而言,由于是条件稳定的,因此在不符合要求的情况下常常会导致计算结果发散.一般来说,由于船体外形和船体绕流场的复杂性,建议采用二阶精度的离散格式,以便能在计算精度、稳定性和收敛速度上得到良好的效果.4标准k-湍流模型计算结果在采用前文所建议的网格划分方式及离散格式的基础上,文章中比较了标准k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型、k-εRealizable湍流模型、k-ωStandard湍流模型、k-ωSST湍流模型、Reynoldsstress湍流模型以及LargeEddySimulation湍流模型在船模航速4.6m/s时的阻力计算结果,其中标准k-ε湍流模型和Reynoldsstress湍流模型在计算过程中发散,其余各种湍流模型前8000时间步阻力的计算结果如下.标准k-ε湍流模型中的常数系数值主要是根据一些特殊条件下的试验结果而确定的,并不能适用所有的流动情况.由于在雷诺应力方程模化过程中引入了较多的假设,使得雷诺应力模型存在很大的不确定度,导致计算稳定性较差而发散.很多实际计算结果也表明采用微分形式的雷诺应力模型并不能得到比2方程湍流模型更理想的计算结果.由于大涡模拟对网格精度有苛刻的要求,而现有的网格划分由于受计算条件的限制达不到要求,导致大涡模拟的结果与其他模型的计算结果有一定的差距.标准k-ω湍流模型对自由来流有很大的依赖性,并且,标准k-ω湍流模型也对网格有着较高的要求.在图示的计算曲线中,标准k-ω的结果已经有发散的趋势了.而且,k-ω模型不如k-ε模型的一面则是它对来流中的湍流强度敏感度较低.可实现k-ε模型、RNGk-ε湍流模型和k-ωSST模型具有相似的稳定性、精度和收敛速度,但是k-ε模型仅侧重于湍流强度,k-ωSST模型则综合k-ε模型和k-ω的优点,同时考虑湍流强度和壁面弯曲的影响,并且计算成本较低,适用于双体船的数值计算,因此建议在双体船船模的阻力预报中采用k-ωSST湍流模型.5船模阻力试验针对以上研究结论,提出双体船船模数值计算的建议方案,方案包括网格划分方法、对流项离散格式和湍流模型的选取,如前文所述.选取船模航速2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.3、4.6、4.9、5.3和5.75m/s计算了船模总阻力,并与船模阻力试验值进行了对比.船模试验由中国船舶工业第708研究所承担,在此仅提供数值计算结果与试验结果的对比,如图10所示.计算结果与试验值大体吻合,表明所建议的计算方案适用于双体船数值计算.研究过程中考虑了网格划分、离散格式和湍流模型对双体船水动力性能计算的影响及耦合作用,计算方案适用于双体船船模低速至高速段的阻力数值计算,在高速段具有一定的精度.将航速为4.6m/s时的自由液面波形、船体表面波形和动压力分布显示如图11~13.图11~13中所示的自由液面波形清晰,船体表面的动压力捕捉准确,表明文中所建议的计算方案具有一定的计算精度,能准确反映物理现象,对双体船船模的数值计算有所帮助.6计算成本的计算方法本文通过计算研究,讨论了若干影响双体船阻力数值计算的因素,提出了同时考虑各因素耦合效应的建议计算方案,并将建议的方案应用于一条双体船阻力的数值计算中,计算结果较为良好.通过本文的研究,提出以下建议:1)对于双体船船模而言,数值计算中采用结构化网格时,船体表面网格的尺度选取船长的6.0‰左右即可,能够在保证合理计算结果的前提下最大程度地节约计算成本.2)流体域网格分布比例系数r*影响计算的收敛速度和精度,可能的情况下应取较小的r*.3)在双体船船模水动力性能计算中,第1层网格节点距离船体表面高度的无因次参数y+满足100≤