CN109902427A - 一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于船舶横摇阻尼虚拟试验自动化领域，具体涉及一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法。包括确定给定船型的各种参数；确定计算域，根据盒状加密准则确定盒子尺寸以及加密次数；制定表面细化等级；确定边界层网格第一层厚度；基于最小网格尺寸制定网格质量标准；确定网格细化、贴合以及边界层添加的标准，制定船体网格划分方案；预设参数完成，船体网格自动化划分；检查网格质量，得到可进行横摇阻尼数值模拟的网格。本发明采用OpenFOAM自带的三维网格划分工具snappyHexMesh，提出了一种通用的网格自动划分方法和字典文件参数的配置准则，从而控制网格数量及尺寸，并保证边界层的添加率，实现了船舶横摇阻尼试验网格的自动化划分，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于船舶横摇阻尼虚拟试验自动化领域，具体涉及一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法。
背景技术
作为船舶横摇阻尼虚拟试验自动化流程中的关键一环，网格的自动化划分，决定了横摇阻尼数值模拟的自动化程度。通过网格划分工具snappyHexMesh这种预设参数进行网格划分的方法，可以自动地从STL，OBJ几何模型文件生成六面体及多面体网格。依靠迭代将一个初始网格细化，将位于几何模型内部50％以上体积的网格移除，并将细化后的网格变形以依附于表面。在这个过程之后可以选择是否插入网格边界层。网格贴合，添加边界层过程通过一个预先定义的网格质量标准进行控制，这个标准非常灵活，表面处理贴合功能非常强健并且可以并行运算，大大节约了时间成本与人工成本。
然而预设参数划分网格，配置文件的参数包括网格细化等级，贴合的因数，网格边界层的层数以及厚度等等要根据具体的船型来调整，才能保证生成的网格精细合理，并能用于计算。尤其一些带有细长附体如船体舭龙骨的船型，需要不断提高细化等级，才能较好地划分出附体网格。网格细化随之会带来网格数量大幅增加，边界层的添加率不高等问题。网格细化也会造成网格尺寸变小，计算时间步长减小，数值模拟周期拉长。当前采用snappyHexMesh开展船舶横摇阻尼网格划分，还缺少高效准确的自动化网格划分流程和方法，不便于船舶横摇阻尼虚拟试验的工业推广和应用。
当前，船舶横摇数值模拟，大部分仍然依赖其他网格划分软件生成网格再导入CFD软件中进行计算，而采用商业软件划分网格需要一定操作基础，并且导入到部分CFD软件如OpenFOAM中还要修改网格文件的构成及格式，才能用于计算，这种方式门槛高、过程复杂且耗时。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，其能够控制网格数量及尺寸，并保证边界层的添加率，实现船舶横摇阻尼试验网格的自动化划分。
一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，具体包括如下步骤：
步骤1、确定给定船型的重心位置、船长、型宽、型深、吃水量和排水量；
步骤2、确定计算域，根据盒状加密准则确定盒子尺寸以及加密次数；
步骤3、制定表面细化等级；
步骤4、确定边界层网格第一层厚度；
步骤5、基于最小网格尺寸制定网格质量标准；
步骤6、确定网格细化、贴合以及边界层添加的标准，制定船体网格划分方案；
步骤7、预设参数完成，船体网格自动化划分；
步骤8、检查网格质量，得到可以进行横摇阻尼数值模拟的网格。
所述一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，步骤2中采用盒状加密的方式对船体附近的网格进行逐步递进加密，使网格的密度梯度降低到一个小的范围内，盒状加密只改变区域内网格X、Y方向的尺寸，加密网格减为原尺寸的1/2，Z方向网格尺寸不变，盒状加密的次数一般为5次。
所述一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，步骤3具体包括如下步骤：
步骤3.1、判断输出的船型是否有舭龙骨等细长附体，若没有，船体表面细化最小最大等级默认为(01)，若有细长附体，则进行步骤3.2；
步骤3.2、船体加装舭龙骨等细长附体，对船体表面网格进行细化，对于最大细化等级n，本发明根据以下公式得出：
即将BS5与Dbk的比值取对数，所得的数值取整再减少1个细化等级，其中Dbk为舭龙骨等细长附体的最小厚度，BS5为5次盒状加密后的网格尺度，可表示为：
Bs5＝Bs/25
其中，BS为计算域网格基础尺寸，大小为0.1倍船长；
步骤3.3、船体表面细化等级为(1n)。
所述一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1、采用以下公式来计算横摇问题雷诺数Re以初步估算第一层网格节点距船体表面的距离即边界层网格第一层网格厚度Δy：
L＝(RBK+WBK)·cosθ≈0.07LBP
其中U为船舶横摇运动引起的特征速度(m/s)，L为特征长度(m)，为初始横摇幅值(rad),ω为横摇固有频率(rad/s)，ν为运动粘性系数(＝10-6m2/s)，RBK为舭龙骨等细长附体安装处距离旋转中心的最大半径(m)，WBK为舭龙骨等细长附体的宽度(m),θ为细长附体安装角度(rad)，LBP为船舶垂线间长；
步骤4.2、对于给定船体，横摇固有频率ω可由下式估算：
其中Δ为排水量，GM为船舶的初稳性高，为横摇转动惯量,由下式可得：
其中Rxx为船体质量连同附加质量的横摇惯性半径，M为船体质量，对于一般船型，横摇惯性半径Rxx与船宽B有如下关系：
Rxx＝C·B
其中系数C取决于船舶类型和装载情况，估算横摇惯性半径时，一般取平均值0.4；
步骤4.3、由于船舶横摇运动是非定常振荡运动，本发明借鉴ITTC船舶阻力CFD模拟推荐流程中船舶阻力问题边界层网格第一层厚度Δy的估算方法，对原规范中的船长尺度L进行修正后应用于横摇阻尼问题，对Δy进行估算如下：
Cf＝0.075/(log10Re-2)2
其中Cf为壁面表面摩擦系数，由于是船舶横摇问题，L由船舶阻力问题中的船长改为估算横摇问题雷诺数中的特征长度，y+为一个无量纲参数，可以看成是无因次化的边界层厚度,横摇问题中y+一般取11.5-30。
所述一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，步骤5制定网格质量标准时在划分网格过程中对最小网格体积minVol和最小面面积minArea进行了控制，研制了控制算法如下：
基于第一层边界层网格厚度Δy，调整meshQualityDict字典中的最小网格体积，根据多次测试调整，得出较为可取的方案是：
minVol＝α·α·/100
minArea＝α·/4
α＝Bs5/2n
其中α为船体表面网格经过最大细化等级n细化后的网格单元尺寸。在此网格标准下，网格贴合和添加边界层时能控制最小网格体积，既能确保时间步长不会过低，又能确保边界层的添加率。
所述一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，步骤7中划分船体网格采用snappyHexMesh网格划分工具。
本发明的有益效果在于：
本发明采用盒状加密的方式逐步递进加密，使网格的密度梯度降低到一个小的范围内，避免随后计算发散。在背景网格的基础上划分船体网格，本发明采用snappyHexMesh网格划分工具，预设网格表面细化等级，细化的等级既保证了能较好划分出船体舭龙骨的网格，又能一定程度上控制网格数量。本发明通过调整最小网格单元体积和最小面的面积，保证网格自动化划分过程中不会出现过小的网格尺寸，既能保证边界层网格的添加率，又能控制数值模拟的时间步长，达成自动化生成合理准确能用于数值计算的船体网格的效果。
附图说明
附图1为本方法计算流程图；
附图2为本方法流域网格图；
附图3为本方法流域网格纵剖面示意图；
附图4为本方法流域网格半横剖面示意图；
附图5为本方法盒状加密示意图；
附图6为本方法船舯剖面网格图；
附图7为本方法边界层网格图；
附图8为本方法船舶细长附体舭龙骨处网格图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如附图1所示，为本方法计算流程图；如附图2所示，为本方法流域网格图；如附图3所示，为本方法流域网格纵剖面示意图；如附图4所示，为本方法流域网格半横剖面示意图；如附图5所示，为本方法盒状加密示意图；如附图6所示，为本方法船舯剖面网格图；如附图7所示，为本方法边界层网格图；如附图8所示，为本方法船舶细长附体舭龙骨处网格图。
步骤1、确定给定船型的重心位置、船长、型宽、型深、吃水量和排水量；
指定船型主尺度参数，给出船舶的重心位置，用于确定船舶横摇旋转中心；船长用于确定背景网格计算域的尺寸；吃水用于确定自由面位置。
步骤2、确定计算域，根据盒状加密准则确定盒子尺寸以及加密次数；
为避免波浪反射的影响，计算域取值为：纵向来流(沿流速方向)的边界(入流边界)离船头的距离约为1倍的船身长度；出流边界距离船尾约为4倍船身长度；左右边界距离中轴面约为1.5倍船身长度；底边距离船底约为1.5倍船身长度；上边界(压力出入口)距离船体约为船长的1倍。计算域取值基本满足ITTC船舶阻力CFD模拟推荐流程给出的参考范围。同时确定基础网格的尺寸，这里经过多次尝试，选定基础尺寸为船长的10％。
同时，因为船体周围流场速度会发生剧烈变化，此时需要对船体附近的网格进行加密，这里本发明采用盒状加密的方式逐步递进加密，使网格的密度梯度降低到一个小的范围内；盒状加密只改变区域内网格X、Y方向的尺寸，加密网格减为原尺寸的1/2，Z方向网格尺寸不变。盒状加密的次数一般为5次。
步骤3、制定表面细化等级；
根据输出的船型是否有舭龙骨等细长附体，若没有，船体表面细化最小最大等级默认为(01)，若有细长附体，则按以下方法进行：
船体加装舭龙骨等细长附体，需要对船体表面网格进行细化，对于最大细化等级n本发明根据以下公式得出：
即将BS5与Dbk的比值取对数，所得的数值取整再减少1个细化等级。其中Dbk为舭龙骨等细长附体的最小厚度，BS5为5次盒状加密后的网格尺度，可表示为：
Bs5＝Bs/25
其中，BS为计算域网格基础尺寸，大小为0.1倍船长，则船型含有舭龙骨，船体表面细化等级为(1n)。
步骤4、确定边界层网格第一层厚度；
由于目前公认的CFD粘流模拟规范中暂无对横摇问题雷诺数的具体计算方法，本发明采用以下公式来计算雷诺数Re以初步估算大致所需的第一层网格节点距船体表面的距离(边界层网格第一层网格厚度)Δy：
L＝(RBK+WBK)·cosθ≈0.07LBP
其中U为船舶横摇运动引起的特征速度(m/s)，L为特征长度(m)，为初始横摇幅值(rad),ω为横摇固有频率(rad/s)，ν为运动粘性系数(＝10-6m2/s)，RBK为舭龙骨等细长附体安装处距离旋转中心的最大半径(m)，WBK为舭龙骨等细长附体的宽度(m),θ为细长附体安装角度(rad)，LBP为船舶垂线间长。
对于给定船体，横摇固有频率ω可由下式估算：
其中Δ为排水量，GM为船舶的初稳性高，为横摇转动惯量,由下式可得：
其中Rxx为船体质量连同附加质量的横摇惯性半径，M为船体质量，对于一般船型，横摇惯性半径Rxx与船宽B有如下关系：
Rxx＝C·B
其中系数C取决于船舶类型和装载情况，估算横摇惯性半径时，一般取平均值0.4。
由于船舶横摇运动是非定常振荡运动，这里本发明借鉴ITTC船舶阻力CFD模拟推荐流程中船舶阻力问题边界层网格第一层厚度Δy的估算方法，对原规范中的船长尺度L进行修正后应用于横摇阻尼问题，对Δy进行估算如下：
Cf＝0.075/(log10Re-2)2
其中Cf为壁面表面摩擦系数，由于是船舶横摇问题，L由船舶阻力问题中的船长改为估算横摇问题雷诺数中的特征长度，y+为一个无量纲参数，可以看成是无因次化的边界层厚度,横摇问题中y+一般取11.5-30。
步骤5、基于最小网格尺寸制定网格质量标准；
由于采用snappyHexMesh这种预设参数的方法切割船体网格，需要较高的细化等级才能较好地切出舭龙骨等细长附体网格。但与此同时造成局部网格的尺寸过小，时间步过小，网格边界层添加率不高等问题，对此本发明在划分网格过程中对最小网格体积minVol和最小面面积minArea进行了控制，研制了控制算法如下。
基于第一层边界层网格厚度Δy，调整meshQualityDict字典中的最小网格体积，根据多次测试调整，得出较为可取的方案是：
minVol＝α·α·/100
minArea＝α·/4
α＝Bs5/2n
其中α为船体表面网格经过最大细化等级n细化后的网格单元尺寸。在此网格标准下，网格贴合和添加边界层时能控制最小网格体积，既能确保时间步长不会过低，又能确保边界层的添加率。
步骤6、确定网格细化、贴合以及边界层添加的标准，制定船体网格划分方案；
通过给定船型，确定计算域的范围和盒状加密的次数后，制定船体网格划分方案：
1.提供船体几何模型文件，并按给定横摇幅值将模型旋转至相应角度。通过船体有无舭龙骨等细长附体，确定与船体表面相交的网格细化等级。网格切分细化完成后，将位于船体模型内部50％以上体积的网格移除；
2.将细化后的网格贴合到几何表面，其中确定贴合因子tolerance，一般取3.0，保证局部网格单元可以贴合到几何表面；
3.在网格对齐贴合后，需要插入边界层网格来提高船体网格质量。根据步骤4来确定第一层边界层网格厚度，同时确定边界层层数为3层，层厚度以膨胀率1倍递增；
4.在网格贴合和添加边界层网格的过程中，根据步骤5，通过预先定义的网格质量标准meshQuality来限制最小网格尺寸，既能确保时间步长不会过低，又能保证边界层网格的添加率；
5.网格自动化划分，检查网格质量。预设参数完成流域网格自动化划分。通过checkMesh命令检查网格质量，没有过小网格和纵横比相差过大的网格存在。通过适当的加密，切分出来的船体网格的非正交性符合标准，为后续船舶横摇数值模拟计算提供合理的流域网格。
Claims (6)
1.一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、确定给定船型的重心位置、船长、型宽、型深、吃水量和排水量；
步骤2、确定计算域，根据盒状加密准则确定盒子尺寸以及加密次数；
步骤3、制定表面细化等级；
步骤4、确定边界层网格第一层厚度；
步骤5、基于最小网格尺寸制定网格质量标准；
步骤6、确定网格细化、贴合以及边界层添加的标准，制定船体网格划分方案；
步骤7、预设参数完成，船体网格自动化划分；
步骤8、检查网格质量，得到能够进行横摇阻尼数值模拟的网格。
2.根据权利要求1所述一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，其特征在于：步骤2中所述盒状加密的方式只改变区域内网格X、Y方向的尺寸，加密网格减为原尺寸的1/2，Z方向网格尺寸不变，盒状加密的次数为5次。
3.根据权利要求1所述一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，其特征在于，步骤3具体包括如下步骤：
步骤3.1、判断输出的船型是否有细长附体，细长附体主要为舭龙骨，若没有，船体表面细化最小最大等级默认为(01)，若有细长附体，则进行步骤3.2；
步骤3.2、船体加装细长附体，对船体表面网格进行细化，对于最大细化等级n，以下公式得出：
即将BS5与Dbk的比值取对数，所得的数值取整再减少1个细化等级，其中Dbk为舭龙骨等细长附体的最小厚度，BS5为5次盒状加密后的网格尺度，表示为：
Bs5＝Bs/25
其中，BS为计算域网格基础尺寸，大小为0.1倍船长；
步骤3.3、船体表面细化等级为(1n)。
4.根据权利要求1所述一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，其特征在于，步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1、采用以下公式来计算横摇问题雷诺数Re以初步估算第一层网格节点距船体表面距离即边界层网格第一层网格厚度Δy：
L＝(RBK+WBK)·cosθ≈0.07LBP
其中U为船舶横摇运动引起的特征速度，L为特征长度，为初始横摇幅值，ω为横摇固有频率，ν为运动粘性系数，RBK为细长附体安装处距离旋转中心的最大半径，WBK为细长附体的宽度，θ为细长附体安装角度，LBP为船舶垂线间长；
步骤4.2、对于给定船体，横摇固有频率ω由下式估算：
其中Δ为排水量，GM为船舶的初稳性高，为横摇转动惯量,由下式可得：
其中Rxx为船体质量连同附加质量的横摇惯性半径，M为船体质量，横摇惯性半径Rxx与船宽B有如下关系：
Rxx＝C·B
其中系数C取决于船舶类型和装载情况，估算横摇惯性半径时，取平均值0.4；
步骤4.3、借鉴ITTC船舶阻力CFD模拟推荐流程中船舶阻力问题边界层网格第一层厚度Δy的估算方法，对原规范中的船长尺度L进行修正后应用于横摇阻尼问题，对Δy进行计算如下：
Cf＝0.075/(log10Re-2)2
其中Cf为壁面表面摩擦系数，L由船舶阻力问题中的船长改为估算横摇问题雷诺数中的特征长度，y+为一个无量纲参数，为无因次化的边界层厚度，横摇问题中y+取11.5-30。
5.根据权利要求1所述一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，其特征在于：步骤5制定网格质量标准时在划分网格过程中对最小网格体积minVol和最小面面积minArea进行控制，控制算法如下：
基于第一层边界层网格厚度Δy，调整meshQualityDict字典中的最小网格体积，根据多次测试调整，得出方案：
minVol＝α·α·/100
minArea＝α·/4
α＝Bs5/2n
其中α为船体表面网格经过最大细化等级n细化后的网格单元尺寸。
6.根据权利要求1所述一种船舶横摇阻尼粘流模拟流域自动化网格划分方法，其特征在于：步骤7中所述划分船体网格采用snappyHexMesh网格划分工具。
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