CN110096734B - 一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法及系统，通过建立大型船舶的船体模型，对船模的计算域采用切割体自动划分网格，分析了浅水中船舶在不同航速下的阻力和流场变化规律，为大型船舶在浅水区域中航行时提供了最佳航速选择，提高大型船舶浅水航行时的安全等级，同时为船舶动力特性的研究提供了参考。

Description

一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋船舶航行技术领域，尤其涉及一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法及系统。

背景技术

船舶阻力的组成及其变化在船舶流体力学中占有重要的地位，因为阻力预报对于准确评估船舶的动力，估算所需的推进功率和推进系统的设计等有重要作用。船舶的阻力对浅水的影响十分敏感，不仅因为船体和海床之间流速增加，又因为船舶航行会产生波浪要消耗能量，船行波越明显，船舶阻力也越大，浅水中航行产生的船行波与深水中相比会有很大变化，同时船行波又会对周围工作船舶的安全航行产生严重影响，加剧船间效应，增加工作船舶的横摇幅值等。因此研究浅水中的船舶增阻及流场特性，对船舶的性能预报、操纵性研究及浅水修正有着重大的意义。

船舶在浅水中航行的各项性能研究主要有船模试验方法、势流理论以及RANS方法(Reynolds Average Navier-Stokes)，虽然模型水池试验和势流理论的方法取得了一定的成果，但水池试验费用高、周期长而受到限制，势流理论方法忽略了粘性作用，结果准确性有一定偏差，且得不到具体的流场信息。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法及系统，用以为大型船舶在浅水区域中航行时提供了最佳航速选择，提高大型船舶浅水航行时的安全等级，同时为船舶动力特性的研究提供了参考。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法，包括步骤：

S1、建立预设船模，确定所述预设船模的船模参数；

S2、根据所述预设船模的船模参数，设置相应的计算域以及计算域参数；

S3、采用预设网格划分方案，获取所述预设船模的表面网格以及计算域网格；

S4、采集预设船模的速度，计算预设船模阻力总系数，确定预设船模的速度与所述船模阻力总系数的关系；

S5、获取预设船模的船行波，确定所述预设船模的速度与流场特性的关系。

进一步的，所述步骤S1中，所述预设船模为KCS集装箱船，所述船模参数包括垂直间长、方形系数、设计吃水、湿表面积、型宽、缩尺比以及雷诺数。

进一步的，所述计算域参数包括计算域入口参数、计算域出口参数、计算域侧面参数、计算域顶部参数以及计算域底部参数。

进一步的，采用切割体网格对所述预设船模的船体进行划分，采用棱柱体网格对所述预设船模的船体周围进行划分并作为边界层网格。

进一步的，采用壁面函数法对所述边界层网格的近壁面区域进行处理。

进一步的，步骤S4中根据船模速度计算预设船模阻力总系数，计算公式为：

上式中，R_t为船舶总阻力，U为船模速度，ρ为水密度，S_W为船模的湿表面积。

进一步的，所述步骤S4还包括步骤：采集预设船模的多个速度点，并计算各个速度点计对应的速深比以及速长比，

所述速深比计算公式为：

所述速长比计算公式为：

上式中，U为船速，h为水深，L为垂直间长，g为重力加速度，F_h为速深比，F_n为速长比；

根据各个速度点的速深比以及速长比以及对应速度点的预设船模阻力总系数，建立分析表格，确定预设船模的速度与阻力总系数的关系。

进一步的，所述步骤S3中，还包括步骤：

建立第一网格划分方案、第二网格划分方案以及第三网格划分方案，获取所述第一网格划分方案、第二网格划分方案以及第三网格划分方中的预设船模的网格数量与对应的船舶阻力系数误差的乘积，将所述乘积最小的网格划分方案作为预设网格划分方案。

进一步的，所述步骤S4包括：获取预设船模的摩擦阻力系数和剩余阻力系数，其中，所述预设船模的摩擦阻力系数与剩余阻力系数之和等于所述预设船模阻力总系数，并确定所述预设船模的速度与所述预设船模的摩擦阻力系数以及剩余阻力系数的关系。

一种浅水中大型船舶阻力和流畅特性的分析系统，包括：

船模建立模块、用于建立预设船模，确定所述预设船模的船模参数；

计算域设置模块、用于根据所述预设船模的船模参数，设置相应的计算域以及计算域参数；

网格划分模块、用于采用预设网格划分方案，获取所述预设船模的表面网格以及计算域网格；

阻力确定模块、用于采集预设船模的速度，计算预设船模阻力总系数，确定预设船模的速度与所述船模阻力总系数的关系；

流场特性确定模块、用于获取预设船模的船行波，确定所述预设船模的速度与流场特性的关系。

采用本发明，通过选择KCS集装箱船做为船舶模型，将计算域采用切割体自动划分网格，分析了浅水中船舶在不同航速下的阻力和流场变化规律，为大型船舶在浅水域中航行提供最佳选择航速，提高航行时的安全等级，并为水动力特性研究提供参考。

附图说明

图1是本发明一个实施方式提供的一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法流程图；

图2是本发明一个实施方式提供的一种浅水中大型船舶的船体几何模型；

图3是本发明一个实施方式提供的船体几何模型的潜水计算域以及深水计算域示意图；

图4是本发明一个实施方式提供的计算域网格示意图；

图5是本发明一个实施方式提供的KCS集装箱船表面网格示意图；

图6是本发明一个实施方式提供的摩擦阻力系数C_f与速长比F_n的关系图；

图7是本发明一个实施方式提供的剩余阻力系数C_r与速长比F_n的关系图；

图8是本发明一个实施方式提供的预设船模阻力总系数C_t与速长比F_n的关系图；

图9是本发明一个实施方式提供的浅水中船行波与深水中船行波的波形示意图；

图10是本发明一个实施方式提供的浅水中船行波与深水中船行波的波形示意图；

图11是本发明一个实施方式提供的浅水中船行波与深水中船行波的波形示意图；

图12是本发明一个实施方式提供的浅水中船行波与深水中船行波的波形示意图；

图13是本发明一个实施方式提供的浅水中船行波与深水中船行波的波形示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

参考图1，图1提供了一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法，包括步骤：

S1、建立预设船模，确定所述预设船模的船模参数；

S2、根据所述预设船模的船模参数，设置相应的计算域以及计算参数；

S3、采用预设网格划分方案，获取所述预设船模的表面网格以及计算域网格；

S4、采集预设船模的速度，计算预设船模阻力总系数，确定预设船模的速度与所述船模阻力总系数的关系；

S5、获取预设船模的船行波，确定所述预设船模的速度与流场特性的关系。

本实施例中，预设船模为KCS集装箱船，由韩国海洋与海洋工程研究所开发的，该船型已用于广泛的研究中，有大量的实验和模拟数据可供比较，并用于检验和验证目的，这些数据很容易获得。

其中，预设船模的船模参数包括有首尾柱垂线间长、方形系数、设计吃水、湿表面积、型宽、缩尺比以及雷诺数。

参考图2，图2为预设船模的模型图，本实施例中，将预设船模的参数设置为首尾柱垂线间长230m，型宽32.2m，设计吃水10.8m，设计航速为24kn。为与实验数据进行对比，本文采用缩尺比为λ＝31.5994附带船舵的模型，具体参数如下所示：

步骤S2中，计算域参数包括计算域入口参数、计算域出口参数、计算域侧面参数、计算域顶部参数以及计算域底部参数。

本实施例中，计算域参数根据预设船模的船模参数进行设置，计算域入口距船首1.5Lpp，计算域出口距离船尾2.5Lpp，计算域侧面距离船侧2Lpp，计算域顶部距离自由液面1.5Lpp，对于计算域底部，浅水是根据水深吃水比h/T界定的，一般水深吃水比h/T<1.5时浅水效应对船舶有明显影响，因此本实施例中浅水计算域选取h/T＝1.5，深水计算域为h/T＝60。

参考图3，图3示出了预设船模在深水以及浅水时的计算域，其中上部分为浅水计算域，下部分为深水计算域，本实施例中计算模型为半个KCS船体，以增加计算速度和效率。

步骤S3中，参考图4以及图5，图4示出了KCS集装箱船的计算域网格，图5示出了KCS集装箱船的表面网格，由于KCS集装箱船的型线较为复杂，难以生成高质量的结构化网格，因此本实施例采用自动划分的非结构网格，计算域的划分采用切割体网格及棱柱体网格技术，预设船模的船体网格采用切割体网格，船体周围采用棱柱体网格生成边界层网格，通过这种网格划分方式，其网格生成速度快，质量高。

进一步的，为捕捉自由液面，船行波波态和准确的计算船舶周围流场，对自由液面和船体附近进行网格局部加密，浅水计算域的船体与海床之间区域也进行加密，以捕捉更多的流动细节。

流体的边界层区域可以分为层流底层、湍流边界层和阻流区，第一层网格的厚度对于数值模拟的结果尤为重要，其中重要的参考参数为y⁺，y⁺是第一层网格质心到壁面的无量纲距离，与速度、粘度、剪切力等有关，在本实施例中，采用Realizablek-ε湍流模型，其对近壁面区域的处理采用壁面函数法，通过对边界层棱柱体网格的调整，使上述y⁺值在30～60之间。

进一步的，本实施例中，为了能够在生成的单元网格内捕获所有流动特性，必须满足CFL<1，其中：

CFL＝U_LΔt/Δx

上式中，Δt为时间步长，U_L为流体速度，Δx为控制体积单元的长度，本实施例中，Δt设定为0.01s。

本实施例中，在步骤S3中，为了提高计算效率以及节约计算资源，首先建立三种不同的网格划分方案，即第一网格划分方案、第二网格划分方案以及第三网格划分方案(三种网格划分方案在进行网格划分时其网格数量存在差异)，再对各个网格划分方案进行计算，得到一个最佳的网格划分方案作为预设网格划分方案，该预设网格划分方案中的预设船模的网格数量与对应的船舶阻力系数误差的乘积最小。

以下表为例，下表为三种网格粗细不同的网格划分方案，三种不同的网格方案其预设船模阻力总系数C_t的值不同，这是由于网格数量不同而产生的误差。

其中，

R_t为船舶总阻力；U为船模速度，U＝2.196m/s；ρ为水密度，ρ＝998.2kg/m3；S_W为船模的湿表面积，S_W＝9.553m2。

通过上表可知，网格方案2的网格数量较少，但其误差相对较小，而网格方案3尽管其误差更小，但其占用的网格数量更多，为了提高计算效率以及节约计算资源，本实施例将网格方案2作为预设网格划分方案。

在步骤S4中，预设船模阻力总系数C_t由两部分构成，即预设船模的摩擦阻力系数C_f和剩余阻力系数C_r，其中：

C_t＝C_r+C_f

其中，预设船模的摩擦阻力系数C_f和剩余阻力系数C_r都是采用的是阻力相似理论，其计算方式是和计算预设船模阻力总系数C_t的表达式一致的。

通过上文的预设船模阻力总系数C_t计算公式，可以得到预设船模的阻力系数随预设船模的速度的变化曲线图，参考图5，图5示出了预设船模的摩擦阻力系数C_f与F_n的关系图、剩余阻力系数C_r与F_n的关系图以及预设船模阻力总系数C_t与F_n的关系图。

其中，F_n表示预设船模的速长比，其计算公式为：

进一步的，速长比F_n还与速深比F_h相对应，其中速生比F_h的计算公式为：

上式中，U为船速，h为水深。

一般当F_h<0.5时，浅水效应可忽略；接近0.7时，浅水效应开始逐渐显著；F_h<0.84时，船速位于亚临界速度区；0.84<F_h<1.15时，船速位于跨临界速度区；F_h>1.15时，船速位于超临界速度区，不同速度区的船舶阻力和流场特性会有显著不同，特别是船行波的波态。

本实施例选取F_h为0.572、0.735、0.855、0.979、1.063五个水深傅汝德数进行船舶浅水增阻和流场特性的研究，速深比F_h(水深傅汝德数)与速长比F_n(傅汝德数)和船速对应关系如下表所示：

参考图6至图8，通过计算预设船模的速长比F_n以及速深比F_h，能够更加清晰的得到预设船模的阻力系数随预设船模的速度的变化曲线图，图6至图8中还示出了船模在深水时的相应数据，通过将深水的数据与浅水的数据进行对比，得到更直观的阻力系数与船速之间的关系。

从图6至图8中可以观察到在同一速度下，浅水中的C_f与深水中的C_f十分接近，浅水中的略大，并且随着速度的增加变化不明显。而浅水中的C_r与深水中的C_r在F_n<0.195时十分接近，当F_n>0.195时浅水中的C_r明显增加。即在浅水中航行，当F_h>0.735时，剩余阻力大幅增加，出现明显的浅水增阻现象。同时对深水中和浅水中各自阻力系数的比较可以发现，在深水中C_f>C_r，而在浅水中当F_h>0.735时，C_r远远大于C_f，即在深水中航行时船舶阻力主要由摩擦阻力组成。而在浅水中航行时，当浅水效应出现，浅水增阻明显时，船舶阻力主要由剩余阻力组成，并且此时剩余阻力远远大于摩擦阻力。

通过上述分析，浅水中摩擦阻力的增加，主要是因为船舶在浅水中航行，水流从船体底部和海床之间流过，流速增加，同时浅水中兴波更为激烈，船体湿表面积增加。

本实施例中，步骤S5中，浅水中剩余阻力的增加主要与流场性质变化有关，流场特性最直观的表现为船行波的波态。

船行波是指船舶在水中行驶时，由于船体对水的作用而产生的压力变化所引起的表面波动，由两组明显的散波和横波所组成，并且被限制在船后呈扇形的区域内，本实施例中为分析浅水对船行波波态的影响，将相同速度下的浅水船行波与深水船行波进行了对比，参考图6，其中上半图为浅水船行波，下半图为深水船行波。

从图9中可以看到，当F_h＝0.572时，浅水船行波(图9上半部分)与深水船行波(图9下半部分)波态基本相同，此时浅水中的船舶阻力与深水中的阻力也基本相同。

从图10中可以看到，当F_h＝0.735时，浅水中船行波(图10上半部分)与深水中船行波(图10下半部分)出现差异，说明船舶受到浅水效应的影响，散波的波峰线与航线的夹角随水深傅汝德数的增加而接近90°，散波与横波趋于合一，说明船舶速度已经接近跨临界速度区，浅水中船舶阻力开始增加。

从图11中可以看到，当F_h＝0.855时，浅水中船行波(图11上半部分)与深水中船行波(图11上半部分)出现明显不同，此时散波的波峰线与航线的夹角接近90°，散波与横波合一，波峰线长度增大，说明船舶已经处于跨临界速度区，浅水中船舶阻力明显增加。

当F_h＝0.979(参考图12，上半部分为浅水中船行波，下半部分为深水中船行波)和F_h＝1.063(参考图13，上半部分为浅水中船行波，下半部分为深水中船行波)时，横波消失，只剩下散波，并且散波的波峰线较长，波峰线与航线的夹角接近45°，随船速的增加而减小。说明此时船舶处于超临界速度区，浅水中船舶阻力增加最为明显。

船行波波态的变化，会引起船舶兴波阻力的变化，船舶剩余阻力主要源于兴波阻力。当船舶航速处于跨临界区和超临界区时，船舶首尾波系相互叠加，兴波剧烈，波高增加，导致兴波阻力增加，虽然兴波更为剧烈会导致船舶湿表面积增加，摩擦阻力增加，但兴波阻力的增加远远大于摩擦阻力的增加。因此船舶在浅水中航行，船舶阻力的增加主要源于兴波阻力的增加。在浅水中航行的船舶为减小兴波阻力，可以采取降速的方法，使船舶航速处于亚临界速度区，有效减小兴波阻力，减缓船舶浅水增阻的影响，同时降低航速可以也可以减小船舶下沉量和纵倾，保证船舶航行安全。

本实施例通过选择KCS集装箱船做为船舶模型，将计算域采用切割体自动划分网格，从整体上分析了浅水中船舶在不同航速下的阻力和流场变化规律，为大型船舶在浅水域中航行提供最佳选择航速，提高航行时的安全等级，并为水动力特性研究提供参考。

在另一个实施方式中，还提供了一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析系统，包括：

船模建立模块、用于建立预设船模，确定所述预设船模的船模参数；

计算域设置模块、用于根据所述预设船模的船模参数，设置相应的计算域以及计算域参数；

网格划分模块、用于采用预设网格划分方案，获取所述预设船模的表面网格以及计算域网格；

阻力确定模块、用于采集预设船模的速度，计算预设船模阻力总系数，确定预设船模的速度与所述船模阻力总系数的关系；

流场特性确定模块、用于获取预设船模的船行波，确定所述预设船模的速度与流场特性的关系。

本实施方式中，采用KCS集装箱船做为预设船舶模型，通过利用star-CCM以及RANS法求解器，结合自由液面和舵对船舶流场的影响，对船舶在浅水中航行时的船舶增阻和流场特性进行了数值分析，分析得到浅水中船舶在不同航速下的阻力和流场变化规律，为大型船舶在浅水域中航行提供最佳选择航速，提高航行时的安全等级，并为水动力特性研究提供参考。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法，其特征在于，包括步骤：

S1、建立预设船模，确定所述预设船模的船模参数；

S2、根据所述预设船模的船模参数，设置相应的计算域以及计算域参数；

S3、采用预设网格划分方案，获取所述预设船模的表面网格以及计算域网格；具体为：采用切割体网格对所述预设船模的船体进行划分，采用棱柱体网格对所述预设船模的船体周围进行划分并作为边界层网格；对自由液面和船体附近进行网格局部加密，对浅水计算域的船体与海床之间区域进行加密；

S4、采集预设船模的速度，计算预设船模阻力总系数，确定预设船模的速度与所述船模阻力总系数的关系；

所述步骤S4还包括步骤：采集预设船模的多个速度点，并计算各个速度点计对应的速深比以及速长比；

所述速深比计算公式为：

所述速长比计算公式为：

上式中，U为船速，h为水深，L为垂直间长，g为重力加速度，F_h为速深比，F_n为速长比；

根据各个速度点的速深比以及速长比以及对应速度点的预设船模阻力总系数，建立分析表格，确定预设船模的速度与阻力总系数的关系；

所述步骤S4包括：获取预设船模的摩擦阻力系数和剩余阻力系数，其中，所述预设船模的摩擦阻力系数与剩余阻力系数之和等于所述预设船模阻力总系数，并确定所述预设船模的速度与所述预设船模的摩擦阻力系数以及剩余阻力系数的关系；

S5、获取预设船模的船行波；所述船行波由散波和横波组成；确定所述预设船模的速度与流场特性的关系，具体为：

通过对比相同速度下的浅水船行波与深水船行波，并基于选取的预设水深傅汝德数依次分析船行波中散波与横波的变化情况，确定所述预设船模的速度与流场特性的关系。

2.根据权利要求1所述的一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法，其特征在，所述步骤S1中，所述预设船模为KCS集装箱船，所述船模参数包括垂直间长、方形系数、设计吃水、湿表面积、型宽、缩尺比以及雷诺数。

3.根据权利要求1所述的一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法，其特征在于，所述计算域参数包括计算域入口参数、计算域出口参数、计算域侧面参数、计算域顶部参数以及计算域底部参数。

4.根据权利要求2所述的一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法，其特征在于，采用壁面函数法对所述边界层网格的近壁面区域进行处理。

5.根据权利要求1所述的一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法，其特征在于，步骤S4中根据船模速度计算预设船模阻力总系数，计算公式为：

上式中，R_t为船舶总阻力，U为船模速度，ρ为水密度，S_W为船模的湿表面积。

6.根据权利要求1所述的一种浅水中大型船舶阻力和流场特性的分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括步骤：

建立第一网格划分方案、第二网格划分方案以及第三网格划分方案，获取所述第一网格划分方案、第二网格划分方案以及第三网格划分方中的预设船模的网格数量与对应的船舶阻力系数误差的乘积，将所述乘积最小的网格划分方案作为预设网格划分方案。

7.一种浅水中大型船舶阻力和流畅特性的分析系统，其特征在于，包括：

船模建立模块、用于建立预设船模，确定所述预设船模的船模参数；

计算域设置模块、用于根据所述预设船模的船模参数，设置相应的计算域以及计算域参数；

网格划分模块、用于采用预设网格划分方案，获取所述预设船模的表面网格以及计算域网格；具体为：采用切割体网格对所述预设船模的船体进行划分，采用棱柱体网格对所述预设船模的船体周围进行划分并作为边界层网格；对自由液面和船体附近进行网格局部加密，对浅水计算域的船体与海床之间区域进行加密；

阻力确定模块、用于采集预设船模的速度，计算预设船模阻力总系数，确定预设船模的速度与所述船模阻力总系数的关系；

所述阻力确定模块还用于：采集预设船模的多个速度点，并计算各个速度点计对应的速深比以及速长比，

所述速深比计算公式为：

所述速长比计算公式为：

上式中，U为船速，h为水深，L为垂直间长，g为重力加速度，F_h为速深比，F_n为速长比；

根据各个速度点的速深比以及速长比以及对应速度点的预设船模阻力总系数，建立分析表格，确定预设船模的速度与阻力总系数的关系；

所述阻力确定模块还用于：获取预设船模的摩擦阻力系数和剩余阻力系数，其中，所述预设船模的摩擦阻力系数与剩余阻力系数之和等于所述预设船模阻力总系数，并确定所述预设船模的速度与所述预设船模的摩擦阻力系数以及剩余阻力系数的关系；

流场特性确定模块、用于获取预设船模的船行波；所述船行波由散波和横波组成；确定所述预设船模的速度与流场特性的关系，具体为：

通过对比相同速度下的浅水船行波与深水船行波，并基于选取的预设水深傅汝德数依次分析船行波中散波与横波的变化情况，确定所述预设船模的速度与流场特性的关系。

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