船舶阻力及粘性流场的数值模拟

论文摘要

当前船舶阻力的预测大多数是用经验公式来估算,或者做模型试验换算到实船阻力。前者有估算不准且得不到船舶周围流场的实际情况,而后者虽能较准确的估算实船的总阻力,但依然对船舶的周围流场、尾流场不能精确描述。而且模型试验还受到模型尺寸等实际因素制约不能进行特殊情况下的试验。模型试验还花费巨大以至增加了造船成本。随着计算机的快速发展,船舶计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)方法在计算能力和实用化方面都发生了深刻的变化。其计算船舶的阻力和模拟周围流场的流动细节的功能越来越强,精度上基本能达到工程应用要求,而且花费较模型试验少很多。本文采用目前广泛应用的商业计算流体力学通用软件FLUENT数值模拟具有自由液面的船舶的粘性流场,自由液面采用VOF(Volume Of Fluid)法进行处理。计算对象是已经做过详细试验,比较成熟的系列60船型。通过大量的试算,选取一个合适的湍流模式,并确定湍流参数。将计算结果与经验公式估算结果和模型试验结果进行比较,给出波高、速度矢量等计算值。然后参考这一算例,又模拟计算了一条实尺度油船的摩擦阻力和粘性流场。数值计算模拟结果表明,FLUENT可以比较精确的预报船舶的摩擦阻力。对于小尺度的船模,预报的总阻力相差在20%以内。VOF法可以较好的反映出船体兴波情况。通过与无自由液面的结果比较,清晰的显示出自由液面对船舶粘性流场的影响。而且真实的模拟出实尺度船舶流场的压力、流线情况。这为商业计算流体力学软件FLUENT在计算具有自由表面的船舶阻力方面和其他性能研究的实用性和准确性提供了一些依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究概况与进展
• 1.3 本文的主要工作
• 2 粘性流场数值模拟的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 控制方程
• 2.2.1 质量守恒方程
• 2.2.2 动量守恒方程（即N-S方程）
• 2.2.3 雷诺方程
• 2.2.4 涡粘模型
• 2.3 湍流模型
• 2.3.1 零方程模型
• 2.3.2 一方程模型
• 2.3.3 两方程模型（k-ε模型）
• 2.4 壁面函数法
• 2.4.1 近壁面流动特点
• 2.4.2 壁面函数法
• 2.5 边界条件
• 2.5.1 速度入口
• 2.5.2 流动出口
• 2.5.3 对称边界条件
• 2.5.4 壁面条件
• 2.6 运动界面数值追踪和模拟
• 2.6.1 运动界面追踪问题的发展
• 2.6.2 流体体积函数（VOF）方法
• 2.6.3 VOF方程的求解
• 2.7 数值方法
• 2.7.1 离散方法
• 2.7.2 SIMPLE算法
• 2.7.3 网格生成
• 2.8 本章小结
• 3 FLUENT软件简介
• 3.1 FLUENT概述
• 3.2 GAMBIT简介
• 3.2.1 GAMBIT的特点
• 3.2.2 GAMBIT的操作界面
• 3.2.3 网格划分和边界条件的设定
• 3.3 FLUENT求解器简介
• 3.4 应用FLUENT求解问题的步骤
• 3.5 本章小结
• 4 系列60船模的模拟计算
• 4.1 船舶绕流概述
• 4.2 计算对象
• 4.3 GAMBIT建模
• 4.4 设定控制区域
• 4.5 划分网格
• 4.5.1 划分船体表面
• 4.5.2 生成边界层
• 4.5.3 生成体网格
• 4.6 GAMBIT中设定边界条件
• 4.7 FLUENT求解设定与计算
• 4.7.1 网格导入
• 4.7.2 计算模型设定
• 4.7.3 边界条件参数设定
• 4.7.4 求解控制器设定
• 4.7.5 初始化流场
• 4.7.6 迭代设置
• 4.7.7 计算结果与分析
• 4.8 本章小结
• 5 实尺度油船摩擦阻力及流场的模拟计算
• 5.1 计算前处理
• 5.2 湍流模式的选取
• 5.3 求解设置
• 5.4 计算结果与分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢