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滑行艇二自由度运动数值模拟方法

2023年10月29日

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尹邦本+蒋一
摘 要:利用商业计算流体力学软件CFX,基于RANS方程结合VOF法处理自由液面,建立了具有纵倾和升沉两个自由度的自由模拖曳的数值模拟方法。并用一条双断级滑行艇模型的阻力计算来验证了该方法的可信度。数值计算的结果与试验值相比,阻力值相差不大并且有相同的趋势,姿态的计算结果也再比较接近。建议在进行滑行艇自由面扰流问题的数值计算时,使用自由模方法模拟。
关键词:双断级滑行艇 两自由度 RANS方程 VOF方法
滑行艇的阻力性能是滑行艇最重要的性能之一,是滑行艇设计师在设计过程中所面临的首要问题,因此滑行艇的阻力预报一直都是滑行艇研究中的热点,并逐渐发展出了一系列的阻力计算方法。下面利用商业计算流体力学软件CFX为求解器来求解滑行艇的粘性流场,并利用其自带的六自由度刚体求解器(Rigid body Solver)结合动网格技术来求解滑行艇的运动姿态,建立滑行艇自由模模拟的数值方法,并用于一条双断级滑行艇模型的阻力计算。
数值计算方法
1、控制方程及运动方程
求解粘性问题就是求解N-S方程,本文对N-S方程的求解,采用RANS方程方法,对引入湍流模型后构成的封闭方程组求解得到湍流要素的时均值。连续性方程和动量方程为:
■ (1)
■(2)
式中,Ui,Uj为速度分量时均值(i,j=1,2,3);P为压力时均值;ρ为流体密度,μ为动力粘性系数;为雷诺应力项。计入雷诺应力项后,本文计算中选取Shear Stress Transport(SST)湍流模型来封闭RANS方程。
2、湍流模型
SST模型结合了k-ω模型和k-ε模型的优点,能够较好的模拟存在流动分离和强逆压梯度的复杂流动问题。
k方程为:
■(3)
ω方程为:
■(4)
其中Gk和Gω为由于平均速度梯度引起的湍流动能的产生,Yk和Yω为关于k和ω的湍流耗散项。
3、自由液面的处理方式
自由液面的捕捉采用VOF法,设计算区域是V,流体1所在的区域记为V1,而流体2所在的区域记为V2。定义函数
■(5)
对两种不相容的流体组成的流场, 满足:
■(6)
其中=(u,v,w)为流体的速度场,定义VOF函数Cijk为在网格单元上的积分除以单元体积,即:
■(7)
并且Cijk满足:
当C=1时,网格充满流体1;C=0,网格不含流体1;04、运动方程
滑行艇模型航行时所受到的力和力矩分别为
■(8)
■(9)
在求解过程中艇模所受到的力和力矩由以上两式得到,其中为剪切应力,p为压力,为艇模外法线方向,m为艇模的质量,为艇模重心处的位置矢量,下标C代表艇模的重心即转动中心,为艇模表面任意一点的位置矢量。
艇模的六自由度控制方程为:
■(10)
■(11)
通过控制方程可得到艇模的运动姿态,其中,为艇模的平动速度矢量,是惯性矩张量,为艇模的角速度矢量。
在计算过程中通过每次迭代所得到的力和力矩来解算艇模的姿态,并实时的更新艇模表面网格的节点位移来实现艇模的运动模拟。
船池模型及网格划分
1、船池模型
本文计算的双断级滑行艇如图1所示,艇底沿纵向设置两个断级,断级将艇底分为三个滑行面,断级线在铅锤方向的投影与船模中心线的夹角为80°。
图1 双断级滑行艇模型
计算网格采用结构化网格,并在艇体附近进行加密,计算网格如图1,图2所示。令船长为L,则所采用的计算域为:沿船长方向向上游延伸1.5L,向下游延伸4L,沿船宽方向向外侧延伸1.5L,垂直方向向上延伸1.5L,向下延伸1.5L。由于断级处结构比较复杂,在断级处进行了网格的加密。
图2 计算域网格 图3 滑行艇表面网格
2、边界条件
入口:指定来流速度,即为船模试验中各点所对应的船速
对称面:采用对称边界条件
出口:出口处指定压力分布为静压
船体:不可滑移壁面
其他壁面:滑移壁面
计算结果及分析
1、典型的收敛时历
在本文的数值模拟中,艇模的运动包含两个自由度,即升沉和纵倾。图4到图6给出了在特定的航速下艇模的阻升力及纵倾的收敛时历图。
图4阻力及升力的收敛时历图 图5 纵倾收敛时历图
图6 升沉收敛时历图
2、计算值与试验值的比较
从图4到图6可以看出,由于初始时刻滑行艇姿态为任意姿态,而非一个稳定的平衡位置,因此在初始升力和阻力都会发生较大的变化,同时姿态也会发生较大的改变;经过一定的时间步之后,阻升力逐渐收敛至比较稳定的状态,即在某一个值附近微幅震荡;相应的纵倾也会相对稳定,此时所对应的艇模的姿态即为自由模前进的平衡姿态。
图7 阻力计算结果 图8纵倾计算值
图9 计算升沉值与试验值
从图7到图9中可以看出,数值计算所得到阻力、升沉、纵倾有一定差别,但总体上符合较好。计算阻力值在与试验值相比整体偏小,随着速度的增加其误差也逐步增大;而纵倾与升沉值则在中速段与试验值契合较好,在低速及高速段则有一定的偏差。
由于低速时艇模处于排水航行状态,此时姿态的变化对阻力性能的影响不如高速时明显,因此此时的计算阻力值仍然能够保持一定的精度;而高速时由于升沉值的计算结果较试验值偏大,因此计算时艇体的抬升将更严重一些,造成高速时的阻力偏差较大。

3、计算结果的后处理
图10到图13给出了航速为8m/s和10m/s时的艇模绕流场的后处理结果,从图上可以看出,后处理结果可以很好的反映流场的细节,从压力分布图上可以看出,随着航速的增大,艇底的动压力也逐渐增大,并且压力中心也逐渐后移;从自由表面的波形图上可以看出,随航速增大,艇体的抬升,滑行艇两侧的兴波也逐渐减弱,艇后的鸡尾流也向后移动,这与试验现象是相符合的。
图10 8m/s时艇底的压力分布 图11 10m/s时艇底的压力分布
图12 8m/s时自由液面波形 图13 10m/s时自由表面波形
结论
根据本文的艇模的计算结果,表明根据采用本文的数值计算方法,能够较好的模拟滑行艇自由模拖曳前进的情况:①各速度点所对应的阻力计算结果,与阻力试验值吻合较好,但由于高速时升沉值的差别较大,造成高速段的阻力值存在一定的误差。②从后处理结果上可以清晰的看出流场随航速的变化情况,这在试验中是难以观察的,对试验来说是一个很好的补充。
因此在处理滑行艇等高速或新船型的运动模拟问题上,上述方法具有较好的适用性,尤其是在新船型的开发中可以代替模型试验,以大量节省时间和人力,大幅缩短设计周期。
参考文献:
[1]董文才,郭日修.滑行艇阻力研究进展[J].船舶力学,2000,4(4):68-81页.
[2]Azcueta R.,Rousselon N. CFD APPLIED TO SUPER AND MEGA YACHT DESIGN. International Conference on Super &. 20th-21st May 2010.
[3]Rodrigo Azcueta.STEADY AND UNSTEADY RANSE SIMULATIONS FOR PLANING CRAFTS.The 7th International Conference on Fast Sea Transportation . 2003: 41-48P.
[4]Caponnetto.M.Numerical Simul-ation of PlaningHulls.3rd NUTTS Conference,2000.
[5]Caponnetto M.Sea keeping simu-lation of fast hard chine vessels using RANSE.5th NUTTS,2002.
[6]Caponnetto M.,Soding.H.,Azcu-eta.R..Motion Simulations for Planing Boat in waves,Ship Technology Research,2003.
[7]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.66-76.
(第一作者单位:南宁船舶检验局)
3、计算结果的后处理
图10到图13给出了航速为8m/s和10m/s时的艇模绕流场的后处理结果,从图上可以看出,后处理结果可以很好的反映流场的细节,从压力分布图上可以看出,随着航速的增大,艇底的动压力也逐渐增大,并且压力中心也逐渐后移;从自由表面的波形图上可以看出,随航速增大,艇体的抬升,滑行艇两侧的兴波也逐渐减弱,艇后的鸡尾流也向后移动,这与试验现象是相符合的。
图10 8m/s时艇底的压力分布 图11 10m/s时艇底的压力分布
图12 8m/s时自由液面波形 图13 10m/s时自由表面波形
结论
根据本文的艇模的计算结果,表明根据采用本文的数值计算方法,能够较好的模拟滑行艇自由模拖曳前进的情况:①各速度点所对应的阻力计算结果,与阻力试验值吻合较好,但由于高速时升沉值的差别较大,造成高速段的阻力值存在一定的误差。②从后处理结果上可以清晰的看出流场随航速的变化情况,这在试验中是难以观察的,对试验来说是一个很好的补充。
因此在处理滑行艇等高速或新船型的运动模拟问题上,上述方法具有较好的适用性,尤其是在新船型的开发中可以代替模型试验,以大量节省时间和人力,大幅缩短设计周期。
参考文献:
[1]董文才,郭日修.滑行艇阻力研究进展[J].船舶力学,2000,4(4):68-81页.
[2]Azcueta R.,Rousselon N. CFD APPLIED TO SUPER AND MEGA YACHT DESIGN. International Conference on Super &. 20th-21st May 2010.
[3]Rodrigo Azcueta.STEADY AND UNSTEADY RANSE SIMULATIONS FOR PLANING CRAFTS.The 7th International Conference on Fast Sea Transportation . 2003: 41-48P.
[4]Caponnetto.M.Numerical Simul-ation of PlaningHulls.3rd NUTTS Conference,2000.
[5]Caponnetto M.Sea keeping simu-lation of fast hard chine vessels using RANSE.5th NUTTS,2002.
[6]Caponnetto M.,Soding.H.,Azcu-eta.R..Motion Simulations for Planing Boat in waves,Ship Technology Research,2003.
[7]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.66-76.
(第一作者单位:南宁船舶检验局)
3、计算结果的后处理
图10到图13给出了航速为8m/s和10m/s时的艇模绕流场的后处理结果,从图上可以看出,后处理结果可以很好的反映流场的细节,从压力分布图上可以看出,随着航速的增大,艇底的动压力也逐渐增大,并且压力中心也逐渐后移;从自由表面的波形图上可以看出,随航速增大,艇体的抬升,滑行艇两侧的兴波也逐渐减弱,艇后的鸡尾流也向后移动,这与试验现象是相符合的。
图10 8m/s时艇底的压力分布 图11 10m/s时艇底的压力分布
图12 8m/s时自由液面波形 图13 10m/s时自由表面波形
结论
根据本文的艇模的计算结果,表明根据采用本文的数值计算方法,能够较好的模拟滑行艇自由模拖曳前进的情况:①各速度点所对应的阻力计算结果,与阻力试验值吻合较好,但由于高速时升沉值的差别较大,造成高速段的阻力值存在一定的误差。②从后处理结果上可以清晰的看出流场随航速的变化情况,这在试验中是难以观察的,对试验来说是一个很好的补充。
因此在处理滑行艇等高速或新船型的运动模拟问题上,上述方法具有较好的适用性,尤其是在新船型的开发中可以代替模型试验,以大量节省时间和人力,大幅缩短设计周期。
参考文献:
[1]董文才,郭日修.滑行艇阻力研究进展[J].船舶力学,2000,4(4):68-81页.
[2]Azcueta R.,Rousselon N. CFD APPLIED TO SUPER AND MEGA YACHT DESIGN. International Conference on Super &. 20th-21st May 2010.
[3]Rodrigo Azcueta.STEADY AND UNSTEADY RANSE SIMULATIONS FOR PLANING CRAFTS.The 7th International Conference on Fast Sea Transportation . 2003: 41-48P.
[4]Caponnetto.M.Numerical Simul-ation of PlaningHulls.3rd NUTTS Conference,2000.
[5]Caponnetto M.Sea keeping simu-lation of fast hard chine vessels using RANSE.5th NUTTS,2002.
[6]Caponnetto M.,Soding.H.,Azcu-eta.R..Motion Simulations for Planing Boat in waves,Ship Technology Research,2003.
[7]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.66-76.
(第一作者单位:南宁船舶检验局)

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