船舶在波浪中航行的流场数值模拟分析

龙源期刊网船舶在波浪中航行的流场数值模拟分析作者：汪异周文平来源：《发明与创新·大科技》2018年第01期摘要：采用基于VOF和高精度自由面捕捉技术的三维非稳态CFD（计算流体动力学）方法，对船舶在迎浪状态下多自由度耦合航行时的粘性流场进行数值模拟。结果表明：船舶迎浪航行时，自由面波形呈现对称分布，阻力系数及动力响应呈现正弦周期性变化的特点。结果可为船舶在波浪中摇荡运动及耐波性研究提供指导。关键词：船舶;迎浪航行;斜浪航行;数值模拟;流场分析船舶在波浪中航行时，粘性绕流场状态决定了船体的水动力性能[1]。然而，波浪中运动的船舶会产生周期性的摇荡运动，使得船舶水下形状发生变化，从而引起船体周围的粘性绕流场的变化，对船舶的耐波性和快速性等产生不利影响。目前对船舶粘性绕流场的研究主要有实验方法和CFD方法[2]。通过直接求解雷诺时均三维粘性N-S方程的CFD数值模拟方法能得到绕流场细节，进而分析船舶在水环境中的耐波性及快速性等性能，具有明显的优势[3]。本文采用商用软件ANSYSFluent对船舶在迎浪状态下纵摇、垂荡和横摇三自由度耦合航行时的流场进行数值模拟，分析迎浪航行对船舶的阻力、横摇及自由表面波形等性能的影响规律。1.计算模型及网格本文计算对象为Wigley船型，船体基本尺寸为：长L=2m，宽B=0.2m，吃水T=0.125m。龙源期刊网对于船舶绕流建模，计算域的选取要确保不影响计算流场。本模型中，整个计算域为长方体，进口距船首2L，设置为速度入口边界;出口距船尾4L，设置为压力出口边界;四面为对称边界（法向速度和其他物理量的法向梯度均为0）：左右表面距船体中心2L，上表面距中心0.2L，下表面距中心（即水深）1.5L。采用ICEM-CFD软件对流场区域进行非结构化网格划分，网格总数约为250万。为确保对边界层内的流动特性的良好捕捉，对船身近壁面生成棱柱体边界层网格，且保证第一层网格被布置于Y+小于10的范围内、边界层网格法向膨胀率不超过1.2。在自由液面附近，为了较好地捕捉波形，进行适当的网格加密处理。船舶几何模型及网格如图1所示。2.数值方法采用ANSYSFLUENT对模型进行数值模拟。船舶在波浪中航行，船体边界运动规律是未知的，且会与周围流场互相耦合。对流场与船体的耦合采用六自由度模型，并编写UDF（统一光盘格式）文件打开船舶的纵摇、垂荡和横摇三个自由度对船体浮态进行模拟。对自由液面的模拟和跟踪采用VOF方法。该方法通过计算每个网格单元的流体体积分数构造运动界面，进而确定自由面位置，具有较高的分辨率和精度。船舶在波浪中航行的数值模拟，需进行数值波浪的制造和边界产生的反射波的消除。采用ANSYSFluent软件中包含的明渠流波浪模型进行数值造波。通过入口速度边界条件面板可选择相应的波浪模型，本文采用一阶Airy线性波浪模型。消波采用数值海滩（NumericalBeach）模型。该模型通过在动量方程中增加阻尼项，可以有效降低从压力出口边界产生的数值反射。湍流模型采用对逆压梯度流场捕获较好的SSTk-ω模型。速度和压力耦合采用SIMPLE算法，离散格式采用二阶迎风。非稳态模拟时间步长设置为0.005s，每50步输出一次计算结果。对Wigley船型以速度V=1.5m/s，在波速U=2.5m/s、波长λ=3.85m、波幅A=0.01925m的波浪中，以遭遇浪向角为180°（迎浪）状态航行时的流场和浮态进行模拟。图2为船舶迎浪航行时，不同时刻的自由面波形云图。从图中可以看出，迎浪航行时，自由面波形呈对称分布;波浪在向后传播的过程中与船舶航行时的兴波相互作用和混合，最后在消波区逐渐消失。图3为船舶阻力系数及纵摇角、横摇角的时间历程。波浪的存在使得船舶阻力系数及动力响应呈现正弦周期性变化的特点。迎浪航行时横摇角较小，可忽略不计。龙源期刊网方法，对船舶在迎浪状态下多自由度耦合航行的粘性流场进行数值模拟，结果表明：船舶迎浪航行时，自由面波形呈现对称分布;船舶阻力系数及动力响应呈现正弦周期性变化的特点;横摇角较小，可忽略不计。本文基于VOF方法和高精度自由面捕捉技术的三维非稳态CFD方法能用于船舶在波浪中摇荡运动及耐波性的模拟研究。※参考文献：[1]李良彦.船舶阻力及粘性流场的数值模拟[D].大连：大连理工大学，2008.[2]吴铁成.船舶精细流场数值模拟及基于PIV的实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015.龙源期刊网[3]吴乘胜，朱德祥，顾民.数值波浪水池中船舶顶浪运动模拟研究[J].船舶力学，2008，12（5）：692-696.