重叠网格在船舶CFD中的应用研究

文章采用RANS方法和重叠网格计算了带自由液面的船舶绕流问题。计算网格采用重叠网格的型式,自由液面的模拟采用单相Level-Set方法,Reynolds应力采用k-ω模型,采用体单元有限差分方法和PISO算法求解RANS方程。文中简要描述了重叠网格和单相Level Set自由液面模拟方法的数学模型及求解。通过对S60单体船型约束模和自由模型采用重叠网格的数值求解及与试验结果的比较表明该重叠可较好地模拟带自由液面船舶自由态绕流问题。另采用重叠网格对一简单的双体船和三体船进行了数值求解,计算结果也表明重叠网格和单相Level-Set方法可较好地模拟带自由液面的船舶绕流问题。     

绕船体自由面周围三维粘性流场的数值模拟

本文采用有限体积法通过求解不可压缩的雷诺平均(RANS)方程数值模拟了包括兴波的三维船体周围的粘性流场,湍流模式使用了子网格尺度模式(SGS)和Baldwin-Lomax模式相结合的混合模式.对于自由表面的处理,采用了任意拉格朗日-欧拉方法,网格为不仅与物体表面贴体,而且与自由表面贴体的动网格,即随着自由表面的变化要不断地重新划分网格.虽然此方法需要很长的计算时间,但能较好地描述船体的兴波情况.本文计算了系列60船模在Fn=0.316,Re=1.9×106时带自由面的粘性流场,计算结果与试验结果吻合较好.，An finite - volume method solving of incompressible RANS Equations is developed for the numeri-cal simulation of three - dimensional viscous flow with free - surface about a ship. A hybrid turbulence mod-el by combining the sub - grid scale (SGS) model and the Baldwin- Lomax model is used in this pa-per. The arbitrary - Lagrange - Euler formulation is devised for the treatment of free surface boundary condi-tion. The boundary - fitted coordinate system is fitted not only to the ship hull surface but also to the freesurface, so the computational grid is regenerated to follow the free surface deformation. Although this methodneeds spend much longer computational time, but it can fairly display wave pattern made by a ship. The nu-merical simulation has been carried out for viscous flow with free surface past Series 60 ship hull at Fn =0. 316, Re = 1.9 × 106. The computed results are in reasonable agreement with experimental measure-ments.     

浅水中低速斜航船舶水动力预报及验证与确认分析

浅水中的斜航船舶受到浅水阻塞效应和不对称流的综合影响。为预报该运动中的船舶水动力,文章采用基于定常雷诺平均纳维—斯托克斯方程的计算流体动力学方法,对浅水中做斜航运动的船舶粘性绕流场进行数值模拟。考虑低航速运动的特点,忽略航速影响下的自由面兴波,由数值计算得到水动力系数在漂角影响下的变化规律。针对计算精度问题,在数值模拟中从验证和确认角度分析和评估计算结果：通过网格收敛性分析分析数值误差与不确定度;结合试验数据考察计算模型的误差。此外,从计算区域尺度、湍流模型、边界条件、船体下沉和纵倾作用方面对模型误差的影响因素进行探讨,可为改进计算模型、提高数值模拟精度提供参考依据。     

带自由面肥大船粘性绕流场的数值模拟

采用直接求解RANS方程的方法对带自由面的肥大型船舶的流场和阻力进行了数值计算,湍流模型选用RNGk-ε两方程模式,自由面的处理采用VOF方法.数值计算结果与已公开试验数据的定量比较相当吻合.计算结果的分析表明:文中发展的CFD计算方法可以满足于带自由面肥大型船舶快速性工程预报的要求.     

基于物面重叠的多附体船舶阻力数值模拟

阐述物面重叠技术,介绍重叠网格的基本原理以及物面重叠的处理方法,在此基础上采用单相Level-Set捕捉自由面方法和RANS方程对某型带多件附体的船舶进行阻力数值模拟,对其流场和自由面波形进行分析。与模型试验结果进行对比发现:数值计算结果与试验结果吻合良好,误差满足工程精度要求,验证了物面重叠技术应用于多附体船舶阻力数值模拟的可靠性。     

基于SPH流体仿真的船模阻力试验过程的虚拟展现

通过求解RANS方程计算船体周围粘性边界层,同时结合VOF方法处理自由表面,能够获得带自由表面的船体周围稳态粘性流场,但是难于比拟拖曳水池模型试验得到连续变化的流场,该文提出采用SPH流体仿真方法模拟船模阻力试验中自由表面及流场的生成与演化,并借助三维交互式图形显示技术实现试验过程的虚拟展现,最后以DTMB 5415船模试验加以例证。     

Numerical study on the hydrodynamic forces on a ship berthing to quay by taking free-surface effect into account

In the present study, numerical simulation of the berthing maneuver of a ship in the prescribed translational motion is performed. The transient viscous flow and hydrodynamic forces on the hull are calculated by solving the unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes equations in overset grid system, and the free surface is captured using volume-of-fluid (VOF) approach. The present numerical results have been compared with previous computational results by Toda and available experimental data respectively. Since the effects of the quaywall and free surface are taken into consideration in the present study, it is found that the agreement is significantly better than that resulting from Toda’s 3D CFD based approach. Then the effects of various standoff distances between the ship and quaywall on the lateral forces are investigated. Meanwhile, the detailed transient flow features around the berthing ship are obtained, which are helpful to understand the interactional effects between the ship and quaywall. The present results may provide helpful guidance for vessels’ safe maneuvering in berthing motion and the design of fender system in the quay.     

A finite pointset method for the numerical simulation of free surface flow around a ship

In this paper, we present a Finite pointset method (FPM) for the numerical simulation of free surface flow around a ship in calm water. It is a Lagrangian and meshless particle scheme which is applied to the projection method for the incompressible governing equations. This requires the solution of Poisson problems in each time step, so a moving least squares (MLS) interpolants is used for the spatial derivatives in order to discretize the Poisson equation with pressure-Dirichlet condition of free surface flow in meshless structure. Meanwhile, an additional problem of the periodic particle locations redistribution in the present approach is still handled by MLS interpolants. With the proposed FPM technique, problems associated with the free surface flow around a ship are circumvented. A verification of numerical modeling is made using the Wigley hull and the validity of the proposed methodology is examined by comparing the detail of wave profile and wave-making resistance with Series 60 model. The results demonstrate that FPM is able to perform efficient and stable simulations of free surface flow around a ship.     

绕船体粘性自由面流动的数值计算

考虑自由面的船舶粘性流动计算由于其复杂性和对计算机硬伯的较高要求，只是到了最近几年才得到较大发展，而在国内尚属起步阶段。本文使用VOF方法计算了绕Wigley船型的粘性自由面流动，流模式选择了SSTκ-ω模型。计算获得了船体上波形以及船波等值线图，同时考察了三个不同横截面上的流动状况。计算得到的阻力还和发表的试验结果作了对比，结果令人鼓舞。     

一种基于体积力螺旋桨模型的自航计算方法

文章以集装箱船模型KCS(KRISO Container Ship)为研究对象,基于通用CFD软件FLUENT 12.0.16,采用螺旋桨体积力模型,实现了模型尺度下实船自航点的全粘带自由面计算。该文的计算包括静水拖航计算、自航计算,以及扭矩对自航计算结果的影响分析。通过与试验值的分析比较,验证了该方法的有效性。由于采用了完全结构化的六面体网格,带对称面的计算域单元数仅为33万。研究结果还表明:考虑扭矩的全流场计算对于改善流动细节,获得更精确的计算结果是有利的,但计算量有所增加。     

数值模拟现代水面舰船带自由面的湍流绕流场

为了研究带自由面的船舶湍流绕流场,选择了一艘ITTC推荐的公开船模作为模拟对象,数值求解RANS方程。此模型为带声呐导流罩和方形尾封板的复杂水面舰船。采用Ogrid块拓扑算法生成质量较高的纯六面体多块结构化网格,计算中采用RNG k-ε湍流模式和标准壁面函数,并使用VOF算法来捕捉自由面。空间离散采用QUICK格式,压力-速度解耦采用PISO算法。将阻力和波形的数值结果与实验数据相比较,总阻力系数误差约2%,船侧波形、船首自由面吻合良好,显示了CFD方法在船舶水动力学中预测带自由面湍流绕流场的有效性。     

绿色35,000吨散货船船体线型优化及设计研究

本文针对新一代绿色环保船型研发的需求,在已有性能较为优良的35000吨散货船的基础上,对船体线型作进一步的优化设计。利用势流计算原理及粘性流计算原理分别对船体周围流场特性进行计算分析,结合在船体线型设计方面的经验对原船线型作进一步的改型优化,并通过水池模型快速性试验验证获得了更为优良的船舶线型。经对线型改型优化,既降低了阻力又提高了推进效率,总的节能效果可达9%。说明线型改型优化已取得了较为明显的效果。此外,采用粘性流计算原理进行数值计算应较势流计算原理更为全面合理。特别对原来快速性能已较优良,方形系数CB较大的船型来说,采用粘性流的计算分析法能获得更为合理的结果。     

实尺度喷水推进船拖泵工况数值模拟与分析

对于四泵推进的喷水推进船,在巡航工况时中间加速泵通常处于锁轴状态,其拖曳阻力的大小对喷水推进器的选型以及船泵机的最优匹配有着重要影响。然而,拖泵阻力很难通过船模试验的方法获得。为此,该研究在验证均匀和非均匀条件喷水推进器数值模型的准确性基础上,采用数值试验的方法对18节航速下某双泵推进喷水推进船的实尺度"船体+两台喷水推进器"系统带自由液面的流场进行了数值模拟,计算此时喷泵拖曳阻力及其所占船体阻力的百分比。以此喷泵拖曳阻力作为参考,对尺寸与上述喷水推进泵相近的某四泵推进喷水推进船的喷泵进行了选型和设计,并对该船在18节航速下加速泵拖曳阻力的大小进行了计算,进一步验证选型时拖曳阻力取值的合理性。为消除尺度效应的影响采用实尺度模型对"船体+四台喷水推进器"系统带自由液面的非定常流场进行计算,并探索了大尺度条件下船泵系统考虑自由液面和重力影响的非定常计算方法。     

多块结构化网格在含附体水面船模粘性流场数值计算中的应用

本文使用RANS方程和剪切应力输运k-ω模型求解含附体的水面船舶粘性流场.整个计算域被分成很多区块,各个区块单独生成结构化网格,在包含不同附体部件的区块之间,网格是不匹配的,交界面处各流场变量由插值计算传递.计算中没有考虑自由液面的影响.从最后计算得到的桨盘面伴流分布结果来看,数值计算较好地反映了桨盘面流场的特征.     

潜艇水面与水下粘性绕流数值模拟

本文采用求解RANS方程的方法结合四种湍流模型,对于带有不同附体的SUBOFF模型尾流场进行了数值模拟。数值预报的桨盘面处不同半径上的轴向无量纲速度与试验结果进行了对比,结果表明湍流模型在数值模拟中起到重要作用。潜艇水面航行性能十分重要,因而对于潜艇自由液面绕流的数值模拟备受关注。本文采用VOF方法对于两条潜艇模型在不同傅汝德数下的自由液面绕流进行了数值模拟。计算得到的阻力、波形与试验结果吻合较好。文中也探讨了潜艇自由液面绕流的一般特性。并验证了用CFD手段预报潜艇粘性流场的能力。     

A RANS-based technique for simulation of the flow near a rolling cylinder at the free surface

Accurate prediction of roll motion is very important in ship dynamics, particularly when the safety of the ship is in question. In this paper "COMET," a Reynolds averaged Navier–Stokes (RANS) solver, is used to simulate the flow in the vicinity of a rectangular cylinder rolling at the free surface and to demonstrate the potential of RANS-based techniques in complex flows with free surfaces. The method adopted is based on an unstructured collocated finite-volume technique, which uses a variation of the SIMPLE scheme for pressure correction. An advanced interface capturing technique known as high resolution interface capturing (HRIC) is used for tracking the free surface with reduced numerical diffusion. The results derived are compared with available numerical and experimental results, showing good agreement on added moment of inertia and damping coefficients, whilst accurately predicting other main features of the flow. However, further validation for other geometries and extension to 3-D hull forms are essential before applications to practical problems are realised. Received: January 26, 2000 / Accepted: October 2, 2000     

基于滑移网格的带桨水面船自航性能预报研究

应用FINE/Marine软件对KCS船、KP505桨以及考虑自由液面的船桨组合体进行数值计算,并计算其自航性能。利用滑移网格技术和随体网格来实现船桨之间的相互耦合。考虑到原有的自航性能数据处理方法并不代表实际情况,文中借鉴强制自航法的概念提出了一种新的船舶自航点求解方法预报船舶自航性能,并与模型试验结果进行比较,吻合良好,其中推力减额系数、伴流分数以及船舶推进效率的计算误差分别为0.5%、2.18%、6.76%。本文研究为预报船舶自航性能提供了一种新的研究手段。     

实际海浪环境中舰船大尺度模型试验研究进展

目前对舰船总体性能的研究主要是依靠数值计算、水池模型试验、实际海浪环境大尺度模型试验以及实船海试等方法,以上各种方法均有一定的适用范围.实际海浪环境中舰船大尺度模型试验技术是采用适当缩尺比的自航船模在自然水域环境中进行的试验,可以研究舰船在开阔海域自由航行状态下的各项航行性能.分析各种舰船总体性能研究方法的优缺点,针对目前舰船总体性能理论与试验研究存在的问题分析开展舰船大尺度模型海上试验研究的必要性,综述国内外大尺度模型试验技术的发展现状,最后针对该试验技术中的关键技术及热点问题进行总结与展望.     

采用Green-Naghdi方程和有限元法计算浅水船波

采用波动方程／有限元法求解Green-Naghdi(G-N)方程计算船舶在有限水深区域的兴波和波浪阻力。把行驶船舶对水面的扰动作为移动压力直接加在Green-Naghdi方程里，以描述运动船体和水面的相互作用，并经此来计算不面波动、船底水动压力和波浪阻力。G－N方程比浅水方程增加一个非线性的频散项，以补充有限水深对浅水船波的影响。采用随船运动网格的有限方法，以Series 60 CB=0.6船作为算例给出浅水船波的计算结果，并与浅水方程的结果进行了比较。计算结果表明，当船速小于临界速度时，由于频散的影响，G－N方程级出的船后尾波波高比浅水方程的结果大，同时波浪阻力也比浅水方程的结果有所提高。当船速大于临界速度时，G－N方程的计算结果与浅水方程基本相同，频率散射无明显影响。     

基于推力数值计算的喷水推进船快速性预报与验证

为实现对喷水推进船航速的快速、精准预报,基于ANSYS-CFX软件平台建立喷水推进器推力的计算流体力学(CFD)模型,采用分块六面体结构化网格离散计算域,采用稳态多参考系法求解雷诺时均的Navier-Stokes方程和SST湍流模型,对喷水推进器内的流场进行数值模拟.采用壁面积分法获取喷水推进器的等转速推力曲线,将其与船阻力曲线相叠加,通过求曲线的交点预报航速.选取可提供推进特性图谱的船A、带双级轴流式喷水推进器的船B和带混流式喷水推进器的船C为例,验证该方法的准确性.结果表明:船A配置的喷水推进器的推力计算值和航速预报值与厂商提供的数值吻合良好,船B和船C的航速预报结果均与实船试航值比较接近,最大偏差小于0.5 kn.结果验证了计算模型的可信性和适用性,进一步表明该方法可较好地指导喷水推进器厂商根据船舶所有人的需求便捷地选出合适型号的喷水推进器.