CN106709135B - 基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法 - Google Patents

基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法，通过分析主船体及片体的波形分析，利用波峰波谷能量相互抵消形成有利干扰，使得全船压力分布更为均匀、流畅，从而降低三体船的总阻力，提高航速，降低燃油消耗，节约运行成本，具有工程可实施性。本发明的基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法与现有技术相比，研制周期短，技术风险可控，可节约试验成本，节省人力物力投入，对提高船舶总体设计质量有重要帮助。

Description

基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法
技术领域
本发明涉及船舶总体技术领域，具体涉及一种通过分析船舶粘性兴波流场，指导中高速三体船片体布局的设计方法。
背景技术
近些年来，三体船由于其快速性、耐波性等优势越来越引起人们的关注。其水下部分由中体（主船体）和两个小侧体（辅船体）组成，3个船体均为细长片体，中体比普通单体船更加瘦长，因而可一定程度上减小兴波阻力，并获得更大的单位排水体积的甲板面积。因此，三体船有着巨大的研究价值和应用潜力。
与单体船相比，三体船主体与两侧体之间存在着复杂的兴波干扰。研究表明，三体船主体和侧体的型线、侧体的位置与三体船的阻力之间存在着密切关系，主、片体布局成为船型设计中的关键技术。目前，国内外对三体船片体布局的研究可分为理论研究和模型试验研究。理论研究主要采用线性兴波阻力理论方法对三体船流场仿真模拟。该方法经过Michell、Havelock、Kochin等人的努力，在理论上不断改善，预报精度不断提高。但仅能准确模拟兴波阻力，无法获得粘性阻力和船舶周围兴波流场，未能提出片体布局的方法。模型试验则采用枚举法，通过有限的试验选用某一个方案，研究成本较高，耗费人力物力，不能确保选定的方案为最优方案。
国内至今尚无相应的三体船型片体布局优化设计方法。
发明内容
随着计算机性能的逐渐提高，计算流体动力学（CFD）软件模拟船体粘性兴波流场已经成为可能。CFD可用于诸如三体船的相对复杂船型的流动模拟，可比较好地捕捉船舶自由面波形，对于三体船，计算结果能够清晰地反映出主体和侧体之间强烈的兴波干扰现象；通过CFD方法准确模拟三体船自由兴波表面，得到清晰的主片体兴波干扰，从而指导片体的布局。如何通过主片体兴波干扰指导片体布局的位置，从而达到优化阻力的目的成为了一个重要的课题。
本发明的目的是针对现有技术存在的不足而提供一种基于模拟主体兴波流场，从而指导片体布局位置的设计方法，为指导多体船片体布局设计，优化线型提供参考依据。
为解决上述技术问题，本发明的基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法，其主要步骤如下：
（1）建立三体船主船体、片体，CFD计算缩小模型，模型建立至设计水线上一定高度处；
（2）将主体与片体分离开，首先对主体粘性兴波流场进行数值模拟；
（3）由于计算模型沿中纵剖面完全对称，仅取一半模型进行几何建模和网格划分，另一半做镜像处理；
（4）采用全船结构化网格，计算网格在STAR-CCM+中生成，采用多块混合网格；
（5）按上述网格划分方法及边界条件设置，将网格导入计算流体动力学软件STAR-CCM+中进行气液两相流数值计算，湍流模型采用标准 k-ε模型，计算得到主体粘性兴波流场，获得阻力结果及兴波波形；
（6）分析主体的兴波波形，将片体入水点设置在主体波形的波谷区域，根据波形情况提出在该傅氏数下的多套片体布局方案，建立多套方案的主片体三维模型，并按照上述步骤分别对其进行数值模拟，得到多种方案的总阻力结果和主片体兴波干扰情况；
（7）通过对阻力及波形的分析对比优选出该傅氏数下的最优主片体布局位置。
进一步，所述步骤（1）中CFD计算所采用的湍流模型及控制方程为直角坐标系下的不可压缩牛顿流体连续性方程与RANS方程；其中，湍流动能方程与耗散率方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
(1)
Figure DEST_PATH_IMAGE004
(2) 。
进一步，所述步骤（3）中为了使计算结果尽量不受边界条件的影响，将外流域场设为长方体；船艏向上游延伸至一倍船长处设为水域速度入口，船艉向下游延伸至三倍船长处设为水域压力出口，距中纵剖面五倍半宽值处为水域外边界设为开放式边界，设计水线面向下延伸五倍半宽处为水域底部设为滑移壁面，其速度大小为来流速度，方向指向船艉；在设计水线面上增加一个深度为舰船吃水高度1.5倍的空气层，边界条件与水域完全类似，船表面设为不可滑移壁面边界。
进一步，所述步骤（4）中全船结构化网格总数大于200万，为了精确计算摩擦阻力，在船体表面向外生成棱柱层边界层网格，使y+控制在28-32；网格划分的过程中保证靠近船体表面的网格密，远离表面逐渐变疏；在船体表面保证艏部、艉部相较中部、顶部网格密度大于船体表面的网格密度。
本发明提出了一种对于设计航速范围内的基于兴波阻力优化的三体船型片体布局方法，通过数值模拟方法可直观获得三体船自由表面波形图、波形等值线图以及首尾兴波随片体布局位置的变化趋势。与现有技术相比，该方法方便易行，工程适用性强，为在特定航速范围内的三体舰船片体布局设计提供参考依据。
附图说明
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的三体船布局尺寸示意图；
图2为本发明的气液两相流域网格划分；
图3为本发明的对称面网格划分；
图4为本发明的主船体波高云图；
图5为本发明的主船体波面效果图；
图6为本发明实施例的片体布局方案1三维模型；
图7为本发明实施例的片体布局方案2三维模型；
图8为本发明实施例的片体布局方案3三维模型；
图9为本发明实施例的方案1波高云图
图10为本发明实施例的方案2波高云图；
图11为本发明实施例的方案3波高云。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本智力成果的实施例。本发明的基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法，其主要步骤如下：
（1）建立三体船主船体、片体，CFD计算缩小模型（如图1所示），模型建立至设计水线上一定高度处；
（2）将主体与片体分离开，首先对主体粘性兴波流场进行数值模拟；
（3）由于计算模型沿中纵剖面完全对称，故为了计算简便，仅取一半模型进行几何建模和网格划分，另一半做镜像处理（如图3所示）。为了使计算结果尽量不受边界条件的影响，将外流域场设为长方体。船艏向上游延伸至一倍船长处设为水域速度入口，船艉向下游延伸至三倍船长处设为水域压力出口，距中纵剖面五倍半宽值处为水域外边界设为开放式边界，设计水线面向下延伸五倍半宽处为水域底部设为滑移壁面，其速度大小为来流速度，方向指向船艉。在设计水线面上增加一个深度为舰船吃水高度1.5倍的空气层，边界条件与水域完全类似，船表面设为不可滑移壁面边界，如图2所示；
（4）采用计算精度更高、收敛性更好的全船结构化网格，总数约210万。计算网格在STAR-CCM+中生成，采用多块混合网格。为了更精确的计算摩擦阻力，在船体表面向外生成棱柱层边界层网格，使y+控制在28-32。网格划分的过程中保证靠近船体表面的网格密，远离表面逐渐变疏；在船体表面保证艏部、艉部相较中部、顶部网格更密。这样就能保证在控制网格数量的同时达到理想的计算精度；
（5）按上述网格划分方法及边界条件设置，将网格导入计算流体动力学软件STAR-CCM+中进行气液两相流数值计算，湍流模型采用标准 k-ε模型。计算得到主体粘性兴波流场，获得阻力结果及兴波波形；
（6）分析主体的兴波波形，将片体入水点设置在主体波形的波谷区域，根据波形情况提出在该傅氏数下的多套片体布局方案，建立多套方案的主片体三维模型，并按照上述步骤分别对其进行数值模拟，得到多种方案的总阻力结果和主片体兴波干扰情况；
（7）通过对阻力及波形的分析对比优选出该傅氏数下的最优主片体布局位置。
优选的，上述方案中，CFD计算所采用的湍流模型及控制方程为直角坐标系下的不可压缩牛顿流体连续性方程与RANS方程。
其中，湍流动能方程与耗散率方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1)
Figure DEST_PATH_IMAGE005
(2)
上述方案中，关于兴波指导片体设计的原理说明如下
与单体船相比，三体船主体与两侧体之间存在着复杂的兴波干扰。理论研究和试验表明，三体船主片体的型线，侧体的偏移位置与三体船的阻力之间存在着密切关系。
对高速三体船而言，侧体的偏移位置包括纵向和横向两个方向的位置。纵向位置有利的取值范围通常是从船舯到艉部。片体横向位置取值范围一般受到相应的限制：取值过小，易发生阻塞效应，片体之间多为不利干扰，且不利于充分发挥三体船的优势；取值过大，在舰船建造与使用上也会受到限制，并对结构强度提出更高要求，不易实现。研究表明，片体纵向偏距对三体船Cw有显著影响。当主波峰存在时，纵向偏距越大，主波峰越滞后，选择片体间距可参考船的设计航速范围以避开主波峰。需要强调地是，不存在某一片体布局在所有Fr数时均优。
结合图4、图5，以某一特定傅氏数Fr＝0.332为例，首先将主船体单独剥离出来进行数值模拟，得到该傅氏数下主船体阻力大小及自由面兴波情况，量取主兴波波峰波谷距舯位置。同时，可通过相应兴波经验公式和模拟波形进行对比分析，验证波形模拟的准确性。
通过得到的主波峰、波谷的相应位置，使片体远离主波峰区，尽量将其设置在主波谷区域。使得主船体的主波谷与片体的主波峰叠加产生有利兴波干扰，从而达到减小兴波阻力的目的。根据此项原则提出2～3个片体纵向布局方案如图6～图8所示，纵向距离要素见表1。并分别进行粘性兴波数值分析，波面效果图如图9～图11所示，得到的结果将主片体阻力剥离开进行横向对比，对比结果见表2。
表1 多方案片体布局位置要素
方案 1 2 3
纵向位置（距主体船舯） 41.3m 24.0m 46.04m
表2 多方案阻力与试验对比结果
1 2 3
主体阻力 7.01 6.76 8.12
片体阻力 20.65 20.52 19.31
总阻力 27.66 27.28 27.43
船模试验 28.39 28.08 28.20
同时，得到的多方案三体船兴波波高云图可准确反映出在片体周围的波形是否与主体波形产生有利干扰。
本智力成果提出了一种高效经济地指导三体船片体设计布局方法，更具有工程适用性。通过CFD工具模拟自由液面兴波流场指导三体船片体布局设计方法可为理论设计方法提供重要设计补充。

Claims (4)

1.一种基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）建立三体船主船体、片体，CFD计算缩小模型，模型建立至设计水线上一定高度处；
（2）将主体与片体分离开，首先对主体粘性兴波流场进行数值模拟；
（3）由于计算模型沿中纵剖面完全对称，仅取一半模型进行几何建模和网格划分，另一半做镜像处理；
（4）采用全船结构化网格，计算网格在STAR-CCM+中生成，采用多块混合网格；
（5）按上述网格划分方法及边界条件设置，将网格导入计算流体动力学软件STAR-CCM+中进行气液两相流数值计算，湍流模型采用标准 k-ε模型，计算得到主体粘性兴波流场，获得阻力结果及兴波波形；
（6）分析主体的兴波波形，将片体入水点设置在主体波形的波谷区域，根据波形情况提出在该傅氏数下的多套片体布局方案，建立多套方案的主片体三维模型，并按照上述步骤分别对其进行数值模拟，得到多种方案的总阻力结果和主片体兴波干扰情况；
（7）通过对阻力及波形的分析对比优选出该傅氏数下的最优主片体布局位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法，其特征在于，所述步骤（1）中CFD计算所采用的湍流模型及控制方程为直角坐标系下的不可压缩牛顿流体连续性方程与RANS方程；其中，湍流动能方程与耗散率方程为
Figure 371411DEST_PATH_IMAGE002
(1)
Figure 101600DEST_PATH_IMAGE004
(2) 。
3.根据权利要求1所述的一种基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法，其特征在于，所述步骤（3）中为了使计算结果尽量不受边界条件的影响，将外流域场设为长方体；船艏向上游延伸至一倍船长处设为水域速度入口，船艉向下游延伸至三倍船长处设为水域压力出口，距中纵剖面五倍半宽值处为水域外边界设为开放式边界，设计水线面向下延伸五倍半宽处为水域底部设为滑移壁面，其速度大小为来流速度，方向指向船艉；在设计水线面上增加一个深度为舰船吃水高度1.5倍的空气层，边界条件与水域完全类似，船表面设为不可滑移壁面边界。
4.根据权利要求1所述的一种基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法，其特征在于，所述步骤（4）中全船结构化网格总数大于200万，为了精确计算摩擦阻力，在船体表面向外生成棱柱层边界层网格，使y+控制在28-32；网格划分的过程中保证靠近船体表面的网格密，远离表面逐渐变疏；在船体表面保证艏部、艉部相较中部、顶部网格密度大于船体表面的网格密度。
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