自由面上作操纵运动三维船体粘性流场数值研究

船舶与土木工程学院张谢东副教授获准国家自然科学基金资助，课题为“自由面上作操纵运动三维船体粘性流场数值研究”. 1.研究目标为 项目的主要研究目标是建立在自由表面上作操纵运动船体的粘性理论计算模型和相应的数值计算方法，开发出一套关于在自由表面上作操纵运动船体三维粘性流场及水动力数值计算的计算机软件.从而提高船舶操纵水性动力理论计算和船舶操纵性预报的精度，填补国内运用粘性流体力学理论研究船舶操纵性的空白. 2.研究内容 项目主要研究在自由表面上作操纵运动三维船体的粘性流动问题.运用现代CFD技术，以粘性流体力学基本方程RANS方程为基础，对在自由表面上作斜航和回转运动三维船体的流场、压力分布以及水动力进行数值计算，以精确地预报三维船体作操纵运动时的复杂流动现象，如三维流动分离和分离涡，精确地预报自由面上作操纵运动三维的水动力.为了验证理论计算的准确性，还将做相应的船模操纵性试验研究. 3.拟解决的关键问题 1) 采用原始变量法模拟船体粘性绕流的关键问题之一是船体坐标网格的生成，这是数值计算的基础，网格结构、类型和尺度将直接影响粘性流场数值计算的精度.因此，本研究的重点将放在对各类网格生成方法比较、不同网格对数值计算的影响以及三维船体网格生成的通用性和局部加密的研究上. 2) 采用N-S方程求解三维船体粘性绕流的另一关键问题是方程的数值离散问题，本项目将对传统的数值离散方法如有限差分法、有限解析法和有限体积法等进行系统的分析、比较，以寻求一种较为稳定和精确的方法，对作操纵运动船舶的粘性绕流进行计算. 3) 湍流模式和壁面处理形式也是影响粘性流动理论计算的精度和效率的一项重要因素，本研究将对适合于作操纵运动尤其是作大角度斜航和回转运动三维船体的粘性流动计算的湍流模式和壁面处理方法进行研究与探索. 4) 同时考虑粘性和自由表面的影响是研究的一个难题，也是将要解决的关键问题. 4.项目创新之处 项目的创新之处是在船舶操纵运动的理论研究中，引入了粘性流体力学的理论和方法，并且首次同时考虑自由表面和粘性对作操纵运动船舶的水动力的作用，运用现代CFD技术及粘性流体动力学方程，分析、计算作操纵运动船舶的流场、压力分布及水动力，从而建立更加合理、精确和完善的操纵运动船舶水动力理论计算模型和数值计算方法. 科技处(余区办) 章爱武