CN109325303B - 一种船舶回转运动模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶运动测量技术领域，尤其涉及一种船舶回转运动模拟方法。该方法不对螺旋桨进行建模，而用虚拟桨盘体积力模拟螺旋桨推力，使用整体动网格对船舶或潜艇在水中的回转运动的数值进行模拟，提高了模拟精度，简化了建模难度。使设计人员和测试人员能够快速、准确地预测船舶回转的水动力性能。

Description

一种船舶回转运动模拟方法

技术领域

本发明属于船舶运动测量技术领域，尤其涉及一种船舶回转运动模拟方法。

背景技术

船舶回转性能是重要的船舶操纵性能指标之一。回转性能良好的船舶在海上航行时易于转向操纵，便于绕过其他船舶或者障碍物，避免碰撞海损事故的发生，对船舶安全航行意义重大。在船舶或潜艇的设计过程中，对回转性能的预测是很重要的一步。传统回转性能预测方法是进行实船或者船模的回转实验，但这样的实验费时费力，延长了船舶设计周期，且增加了船舶设计成本。随着计算机性能的发展，计算流体力学CFD的方法常用于船舶水动力性能计算中，其具有所需费用低，计算时间短，计算结果精确等特点。探索一种能精确模拟船舶回转运动的CFD方法是十分必要的。传统方法采用三自由度的MMG船舶运动数学模型，通过MATLAB等仿真软件解算MMG方程，求得船舶运动参数，从而模拟船舶的运动，但其仿真结果不包含船体流场的分析，且精度有限。曹留帅等方法，对潜艇的回转运动进行了预测，通过引入非惯性系，使艇体保持不动，由水绕艇体旋转并添加动量源项的方法，实现了全附体潜艇模型回转流场的数值模拟。但是，在对平均雷诺方程组(RANS)中添加了动量源项，使计算和求解更为复杂；而且其数值模拟过程中，潜艇没有推力，只受到来流的冲刷作用，只能粗略分析潜艇的流场分布，难以准确模拟潜艇在螺旋桨推力和舵力作用下的回转运动。传统重叠网格技术通过在船体周围设置重叠网格和交界面的方法，重叠网格在移动中与背景域交换信息，可以模拟船舶运动，但是此方法需要将船舶运动所需空间均设为背景域并划分网格，对于回转运动来说，所需的背景域过大，网格数量太多，用来模拟大幅回转的船舶或潜艇不现实。若要模拟出螺旋桨推力，现有的方法是对螺旋桨建立三维模型并绘制重叠网格，但是其工作量繁重，且网格数量过大，计算时间过长，对计算能力要求过高。不利于缩小船舶设计周期，降低设计成本的目的。应用虚拟桨盘体积力的方法来模拟船舶推力，将船体的前后运动固定，通过改变水的来流速度来确定与当前推力匹配的流速，即为当前船体的运动速度，这种方法需要多次计算才能确定当前速度，且无法真实模拟船体非定常运动的情况。

发明内容

本发明创造的目的在于，提供一种船舶回转运动模拟方法。该方法不对螺旋桨进行建模，而用虚拟桨盘体积力模拟螺旋桨推力，使用整体动网格对船舶或潜艇在水中的回转运动的数值进行模拟，提高了模拟精度，简化了建模难度。使设计人员和测试人员能够快速、准确地预测船舶回转的水动力性能。

为实现上述目的，本发明提供的一种船舶回转运动模拟方法，包括以下步骤:

步骤1：建立船舶的三维模型，根据模拟运动的需要调节舵角，确定大地坐标系与随体坐标系；

步骤2：划分计算域，并划分网格；对船体表面和船尾部操纵面附近的网格进行加密，并控制y+大体分布在25到150之间；

步骤3：在数值仿真软件CFD工具中设置整体动网格，使计算域和网格随船体一起运动；设定刚体运动自由度；采用固定舵角的方式，运动开始时先固定X方向的自由度使船体直航，当流场计算稳定，经过一定的缓冲时间后再释放其余的自由度；

步骤4：建立虚拟桨盘体积力，设定虚拟桨盘面的位置和方向，设置虚拟桨盘体积力作为推力；

步骤5：选定物理模型，边界条件，初始条件；

步骤6：运行求解，得到回转运动模拟结果。

具体而言，步骤1包括以下子步骤：

1.1建立船舶的三维模型，模型包括船舶的水动力外形及操纵面外形，将船舶附体细节体现在模型中，但不包括推力装置的模型，并将船舶的舵旋转至预定的舵角；

1.2建立固定在地球上的大地坐标系，随船舶运动的随体坐标系，对模型进行剥面。

具体而言，步骤2包括以下子步骤：

2.1分别以距前端距船艏1倍船长、后端距船尾2倍船长、两侧距船两侧各1倍船长的距离建立计算域；

2.2对计算域划分网格，对船体表面和船尾部操纵面附近的网格进行加密，加密时，在计算域中从外至内逐层嵌套设置加密层，每层加密层的网格尺寸均为其外面一层的二分之一，将船舶附体表面和尾舵表面的网格尺寸加密为船体表面网格尺寸的二分之一，一般加密层数越多计算精度越高，网格量越大，但相对计算量越大，因此对加密层数和每层厚度进行调节后进行网格无关性分析，若网格加密到一定程度后，继续加密精度不再提高，则停止调节，控制y+大体分布在25到150之间。

具体而言，步骤3包括以下子步骤：

3.1将计算域和网格固定在随体坐标系上，使运动过程中计算域和网格随船体一起运动，以避免网格的重构，减少计算量；

3.2在船舶初始时刻运动固定五个自由度，只放开船艏方向的自由度，使船体只能向船艏方向运动，根据待模拟运动需要将相应的自由度放开同时设置缓冲时间，使船体开始做回转运动。

具体而言，步骤4包括以下子步骤：

4.1建立虚拟桨盘体积力，将虚拟桨盘面设置在船体螺旋桨的位置，固定在随体坐标系上，推力方向为船艏反方向；

4.2建立虚拟桨盘的敞水性能数据，包括螺旋桨结构和运动参数、进流速度面参数；

特别的，步骤5中物理模型采用SST K-ω湍流模型，计算采用SIMPLE算法；入口设定为速度入口，来流的速度设定为均匀来流，或者用UDF或VOF波来定义，其余边界设定为压力出口，船体表面设为壁面。

其有益效果在于：

(1)在模拟船舶或潜艇回转运动时使用虚拟桨盘体积力作为推力，虚拟桨盘可以模拟出实际螺旋桨的推进性能，从而避免了建立螺旋桨模型和划分螺旋桨处的重叠网格，免去了大量的工作量和计算量，缩短了设计周期和设计成本；

(2)采用整体动网格技术，使计算域和网格随船体一起运动，更加真实的模拟了船舶或潜艇在水中的回转运动，提升了模拟精度，避免了网格的重构，减少了计算量；

(3)在模拟回转运动过程中，采用固定舵角的方式，运动开始时先固定X方向的自由度使船体直航，当流场计算稳定，经过一定的缓冲时间后再释放其余的自由度，此时船体开始以上述固定舵角进行正常回转，避免了回转初始阶段流场计算不稳定、不准确的现象，且可以合理地释放不同的自由度，以满足计算需要，使模拟更有针对性。

附图说明

图1是本发明的船舶回转运动的模拟方法的流程框图

图2是计算域与网格划分示意图；

图3是实施例中虚拟桨盘设置示意图；

图4是实施例中模拟结果图；

图5是实施例中实验结果图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。

参照图1～图5，本发明提供的一种船舶回转运动的模拟方法，其流程图如图1所示。其基本步骤包括：

步骤1：建立船舶的三维模型，根据模拟运动的需要调节舵角，确定大地坐标系与随体坐标系；具体而言，是指，

1.1通过建模软件如rhino等建立船舶的三维模型，模型应包括船舶的水动力外形及操纵面外形，而不包括螺旋桨等推力装置的模型，将船舶的舵旋转至预定的舵角；本实施例中的船舶是某型船的自航模，实施过程中建立的模型包括船体、舵和减摇鳍，舵展长为197.8mm，舵角设定为15度。基于本方法的模拟方案，省略了对推力装置的建模等内容，简化了模拟1过程，节省了计算资源。

1.2将模型导入CFD工具中，对模型进行剥面，在CFD工具中建立两种坐标系，一个是固定在地球上的大地坐标系，另一个是随潜艇一起运动的随体坐标系；为了描述船舶运动，在静水条件下以船舶水线面上建立一个固定坐标系O-xyz，用于描述船舶回转中的运动参数，在船舶重心位置处建立随体坐标系S-xyz，用于定义船舶的六个自由度。基于双坐标体系，能够为后文回转模拟提供参考，利用六个自由度控制船舶直线或者回转运动，为后文模拟时预先设置直线运动以消除流场误差提供基础。

步骤2：划分计算域，并划分网格；对船体表面和船尾部操纵面附近的网格进行加密，并控制y+大体分布在25到150之间；具体是指，

2.1设置计算域，其中计算域的前端距船艏1倍船长的距离，后端距船尾2倍船长的距离，两侧距船各1倍船长的距离；

2.2在划分网格时，对船体表面和船尾部操纵面附近的网格进行加密，并控制y+大体分布在25到150之间，其网格划分如图2所示；实施例中，对船体以及附体结合表面进行重新包裹。在整个计算与采用切割体网格生成，对船体表面和船尾部操纵面附近的网格进行加密，在加密时，在计算域中从外至内逐层嵌套设置加密层，每层加密层的网格尺寸均为外面一层的二分之一，此外，在船舶附体表面和尾舵表面的网格尺寸加密为船体表面网格尺寸的二分之一，加密层数和每层厚度可以调节以满足计算精度要求，加密层数越多计算精度越高，网格量越大。进行网格无关性分析，若网格加密到一定程度后，继续加密精度不再提高，保证网格大小，缓和过渡，最终生成的网格数量约为290万。基于上述过程，提高了模拟结果的精确度，基于上述加密方案以及规则，使得重要区域数据获取更准确，加密过程更简单。

步骤3：在数值仿真软件CFD工具中设置整体动网格，使计算域和网格随船体一起运动；设定刚体运动自由度；采用固定舵角的方式，运动开始时先固定X方向的自由度使船体直航，当流场计算稳定，经过一定的缓冲时间后再释放其余的自由度；具体是指

3.1将计算域和网格固定在随体坐标系上，使运动过程中计算域和网格随船体一起运动，避免了网格的重构，减少计算量；实施例中，计算域和网格固定在随体坐标系S-xyz上。

3.2在船舶初始时刻运动固定五个自由度，只放开船艏方向的自由度，使船体只能向船艏方向运动，根据待模拟运动需要将相应的自由度放开同时设置缓冲时间，使船体开始做回转运动；因初始时刻运动计算不稳定，故运动开始时先固定五个自由度，只放开X方向的自由度，使船体只能向船艏方向运动，并设定经过若干秒后，根据模拟的目的，将相应的若干个自由度放开，使船体开始做回转运动，放开自由度时设置缓冲时间；实施例中，从0到31秒时间内固定五个自由度，其运动轨迹如图5中的横线所示，等待流场稳定后，将释放时间设置为31s，缓冲时间为2s，31s时即开始释放六自由度运动，并且自航模将有2s的时间进行缓和的从静止到六自由度的运动。通过设置缓冲运转期，避免了流程不稳定引起的数据误差，提高了模拟结果的精度。

步骤4：建立虚拟桨盘体积力，设定虚拟桨盘面的位置和方向，设置虚拟桨盘体积力作为推力；具体包括。

4.1建立虚拟桨盘体积力，设定虚拟桨盘面的位置和方向，将虚拟桨盘面设置在船体螺旋桨的位置，固定在随体坐标系上，推力方向为坐标系S-xyz的X轴负方向，其虚拟桨盘示意图如图3所示；

4.2确定虚拟桨盘所使用的螺旋桨敞水性能曲线，设定螺旋桨转速，设定进流速度面参数；实施例中的虚拟桨取材于DTMB4382螺旋桨，其主要参数如表1所示：设定螺旋桨转速为6rps；设定桨盘面前10％螺旋桨直径处的圆盘面为进流面，进流面的直径比螺旋桨直径大10％。

表1虚拟桨主要参数

直径(mm)	盘面比	倾斜角(°)	剖面形式	叶数	纵倾
						270	0.725	36	NACA	5	有

步骤5：选定物理模型，边界条件，初始条件；实施例中，物理模型采用SST K-ω湍流模型，计算采用SIMPLE算法；入口设定为速度入口，水和空气的二相流采用VOF波来定义，其余边界均为压力出口，船体表面设为壁面；

步骤6：运行求解，得到回转运动模拟结果，并与实验值对比验证。

图4为实例中，船舶在15°舵角下模拟回转运动的结果，图5为实际实验计算所得结果，实例中模拟结果与实验值结果及其对比如表2所示，误差为-3.10％，与实验值吻合的很好，证明了本发明模拟方法的准确性。

表2模拟结果与实验值

舵角(度)	回转直径(m)	回转直径/船长	试验值	误差
					15	59.7	8.44	8.71	-3.10％

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

Claims (2)

1.一种船舶回转运动模拟方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1：建立船舶的三维模型，根据模拟运动的需要调节舵角，确定大地坐标系与随体坐标系；具体包括：

1.1建立船舶的三维模型，模型包括船舶的水动力外形及操纵面外形，将船舶附体细节体现在模型中，但不包括推力装置的模型，并将船舶的舵旋转至预定的舵角；

1.2建立固定在地球上的大地坐标系，随船舶运动的随体坐标系，对模型进行剥面；

步骤2：划分计算域，并划分网格；对船体表面和船尾部操纵面附近的网格进行加密，并控制y+大体分布在25到150之间；具体包括：

2.1分别以距前端距船艏1倍船长、后端距船尾2倍船长、两侧距船各1倍船长的距离建立计算域；

2.2对计算域划分网格，对船体表面和船尾部操纵面附近的网格进行加密，加密时，在计算域中从外至内逐层嵌套设置加密层，每层加密层的网格尺寸均为其外面一层的二分之一，将船舶附体表面和尾舵表面的网格尺寸加密为船体表面网格尺寸的二分之一，一般加密层数越多计算精度越高，网格量越大，但相对计算量越大，因此对加密层数和每层厚度进行调节后进行网格无关性分析，若网格加密到一定程度后，继续加密精度不再提高，则停止调节，控制y+大体分布在25到150之间；

步骤3：在数值仿真软件CFD工具中设置整体动网格，使计算域和网格随船体一起运动；设定刚体运动自由度；采用固定舵角的方式，运动开始时先固定X方向的自由度使船体直航，当流场计算稳定，经过缓冲后再释放其余的自由度；

步骤4：建立虚拟桨盘体积力，设定虚拟桨盘面的位置和方向，设置虚拟桨盘体积力作为推力；

具体而言：建立虚拟桨盘体积力具体是指，将虚拟桨盘面设置在船体螺旋桨的位置，固定在随体坐标系上，推力方向为船艏反方向；建立虚拟桨盘的敞水性能数据，包括螺旋桨结构和运动参数、进流速度面参数；

步骤5：选定物理模型，边界条件，初始条件；

具体而言：采用SST K-ω湍流模型，计算采用SIMPLE算法；入口设定为速度入口，来流的速度设定为均匀来流，或者用UDF或VOF波来定义，其余边界设定为压力出口，船体表面设为壁面；

步骤6：运行求解，得到回转运动模拟结果。

2.根据权利要求1所述一种船舶回转运动模拟方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

3.1将计算域和网格固定在随体坐标系上，使运动过程中计算域和网格随船体一起运动；

3.2在船舶初始时刻运动固定五个自由度，只放开船艏方向的自由度，使船体只能向船艏方向运动，根据待模拟运动需要将相应的自由度放开同时设置缓冲时间，使船体开始做回转运动。