CN110110352A - 一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，包括步骤：分别对自由模型与约束模型不同航速下的阻力进行数值计算；对自由模型和约束模型的计算结果进行对比，分析航行姿态对船舶阻力性能的影响；采用自由模型对不同航速下的船舶下沉量和纵倾值进行分析并通过重叠网格模拟船舶在不同航速下的航行姿态；通过分析船舶在不同航速下的航行姿态以预报阻力。本发明采用RANS方法结合重叠网格技术对船舶进行纵向航态与阻力预报研究，通过分析船舶航行姿态对大型船舶阻力性能的影响，采用计及船舶航态纵倾及升沉的自由模型对船舶航态及阻力进行预报，其阻力预报结果更加精准。

Description

一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种基于重叠网格的船舶纵向航态及阻力预报方法。

背景技术

船舶在海上航行受到的阻力主要为空气阻力和水阻力，目前阻力预报的主要方法有理论研究法、试验法和数值模拟法。理论研究方法主要是在在船体设计初期采用，主要理论研究手段包括图谱法、回归公式法和经验公式估算法。试验法是阻力预报的主要手段，主要为船模试验法和实船试验法，其预报结果精确可靠，实用性强，但其经济性较差且无法完全模拟复杂的实际海况。随着计算机技术的广泛应用和发展，数值模拟法成为船舶阻力预报的重要手段，包括势流理论计算和计算流体力学方法。目前所提出的利用CFD方法对多艘船舶的阻力进行了计算、利用势流与粘流相结合的船舶阻力预报方法以及基于RANS法和边界层理论的三维船体阻力预报，预报精度可以满足工程需要，同时经试验表明方法具有实用性。

虽然这些方法精度较高，但都是在船舶固定状态下进行阻力计算，并没有考虑船舶航行时的船舶姿态，随着船舶大型化和快速化的发展，固定状态下的数值模拟方法已经不能满足大型船舶在高傅汝德数(Fn)范围内的阻力预报，因此研究计及姿态变化的船舶阻力预报方法十分重要。

例如公开号为CN105955928A提供了一种基于CFD预报船舶阻力的计算方法，包括：S1：采用两相不可压RANS作为控制方程，包括连续方程和动量方程；S2：使用单相level set方法处理自由面；S3：使用有限体积法将计算域离散成一系列小单元，计算流场信息储存在网格单元重心；S4：根据单元重心的插值得到单元表面的值；S5：对单元表面的值求和得到单元体的体积积分；S6：对于离散后得到的压力速度耦合方程，采用PISO隐式分离算法进行迭代求解，其中，每一时间步的计算包括动量预估、压力求解和速度修正，最终得到收敛的数值解。本发明方法使用CFD计算得到船舶在一定运营速度下的总阻力系数，进而通过简单的公式计算得到船舶总阻力。本方法高效准确，具备很强的工程实用性。但是，该方案没有计及船舶航行时航行姿态对阻力的影响，容易影响阻力预报的准确性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，可以解决固定状态下的数值模拟方法对较大型船舶在高弗汝德数(F_n)范围内的阻力预报不准确的问题。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，包括步骤：

分别对自由模型与约束模型不同航速下的阻力进行数值计算；

对自由模型和约束模型的计算结果进行对比，分析航行姿态对船舶阻力性能的影响；

采用自由模型对不同航速下的船舶下沉量和纵倾值进行分析并通过重叠网格模拟船舶在不同航速下的航行姿态；

通过分析船舶在不同航速下的航行姿态以预报阻力。

优选的，还包括步骤：

使用重叠网格将计算域划分为背景域和重叠域；

通过背景域捕捉自由液面，并分析流场情况；

通过重叠域测定船舶首尾复杂区域并进行局部加密，以捕捉流动细节。

优选的，所述通过背景域捕捉自由液面还包括步骤：

使用VOF方法处理自由液面。

优选的，还包括步骤：

采用RANS方法和Realizable k-ε湍流模型对不同纵倾状态下的阻力进行数值计算。

优选的，采用RANS方法和Realizable k-ε湍流模型对阻力进行数值计算具体为：

采用RANS控制方程组，包括连续性方程和动量守恒方程；

使用Realizable k-ε湍流模型封闭RANS控制方程；

计算船舶总阻力系数并根据船舶总阻力系数对船舶纵向航态及阻力进行预报。

优选的，所述RANS方程的张量形式为：

其中，i，j＝1，2，3，Re为雷诺数，Re＝vd/γ＝ρvd/μ，d为管道直径，γ为运动粘性系数，ui为雷诺平均速度分量，p为压强，ui'为湍流脉动速度分量。

优选的，所述Realizable k-ε湍流模型的湍流动能k和湍流耗散率ε的输运方程为：

湍流粘性的计算为：

C_μ不再是常数：

其中，v为平均流速，μ为动力粘度，ρ为流体密度都是已知材料性质，k为湍流动能，ε为湍流耗散率，t为时间。

优选的，所述计算船舶总阻力系数方程为：

R_t＝R_f+R_r (8)

其中，Ct为总阻力系数，Rt为船舶总阻力，Rf为摩擦阻力，Rr为剩余阻力，U、V均表示船模速度，为雷诺数，L表示船宽，Fr为弗汝德数，ρ为水密度，Sw为船模的湿表面积,L²＝Sw。

与现有技术相比，本发明采用RANS方法结合重叠网格技术对船舶进行纵向航态与阻力预报研究，通过分析船舶航行姿态对大型船舶阻力性能的影响，采用计及船舶航态纵倾及升沉的自由模型对船舶航态及阻力进行预报，其阻力预报结果更加精准。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法流程图；

图2为本发明自由模型与约束模型及试验结果的总阻力系数对比图；

图3为本发明沿船身浪高曲线；

图4为本发明自由模型模拟纵倾量与试验结果的纵倾量对比图；

图5为本发明自由模型模拟升沉量与试验结果的升沉量对比图；

图6为本发明网格示意图。

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。

实施例一

本实施例提供一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，如图1所示，包括步骤：

S1、分别对自由模型与约束模型不同航速下的阻力进行数值计算；

S2、对自由模型和约束模型的计算结果进行对比，分析航行姿态对船舶阻力性能的影响；

S3、采用自由模型对不同航速下的船舶下沉量和纵倾值进行分析并通过重叠网格模拟船舶在不同航速下的航行姿态；

S4、通过分析船舶在不同航速下的航行姿态以预报阻力。

为了分析航行姿态对大型船舶阻力性能的影响，本实施例步骤S1和步骤S2对自由模型(计及船舶航态纵倾和升沉)和约束模型(不考虑船舶航态)在不同航速下的阻力进行了数值计算，并同试验结果进行了对比，试验值为2015年东京研讨会上提供的试验结果，傅汝德数选取0.108、0.152、0.195、0.227、0.260和0.282，其分析结果见图2，图中由上至下的线条分别表示EFD试验值、CFD自由模型及CFD约束模型的总阻力系数对比，通过图中数据对比可以看出，与约束模型的阻力计算结果相比，自由模型的阻力计算结果与试验结果更加接近，在较高雷诺数时，精度更高，其对比结果表明计及航态纵倾和升沉的自由模型与试验值更为接近得出结论在不同航速下船舶航态对预报阻力产生重要影响。

在本实施例的一种优选方案中，选取Fn＝0.260时的两种模型的沿船身浪高曲线与试验值进行对比，如图3所示，图中圆点表示EFD实验值，与圆点更为靠近的CFD自由模型的船身浪高曲线，剩余的一条为CFD约束模型，从图中可以看出，航行于水面的船舶由于航行时产生兴波，沿船体会产生波高差。在约束模型和自由模型下数值模拟得到的沿船身浪高曲线与试验值相差不大，但自由模型得到的结果与试验值更为接近，说明自由模型模拟的航态能更接近试验中船模的航态。通过该方法，可以研究波浪运动，并可以为设计船身外形从而来减小兴波阻力有所利用价值。

在步骤S3中，采用自由模型并利用重叠网格技术对船舶航态进行模拟，其中，采用自由模型，在船舶初始平吃水状态时，对不同航速下的纵倾和下沉量进行了模拟，采用非定常计算，并将模拟得到的纵倾和下沉量的计算值与试验值进行对比，结果如图4和图5所示，线条从上至下分别表示EFD试验值和CFD自由模型，通过图中数据可以看出，船舶的下沉量随着航速的增加而增加，而纵倾变化先随着船速增加而增加，但傅汝德数足够大，即高速时，纵倾值略有减小。模拟得到的下沉量和纵倾与试验值较为接近，说明本实施例采用的数值方法可以准确地对船舶航态进行模拟。

重叠网格技术是将物体的每个部件单独划分网格，再嵌入到另一套网格当中，网格之间会有重叠的部分，在经过挖洞等预处理过程后，计算域之外的网格(比如位于物体表面内的网格单元)会被挖去并排除在计算之外，并在剩余的网格重叠区域内建立插值关系。最终通过插值方法使得每套网格之间可以在重叠区域进行数据交换，以达到流场域的整体计算。重叠网格技术可以允许多个相互独立的网格之间产生无约束的相对位移，并且利用插值方法使得网格之间的流场信息能够进行交换。利用重叠网格这种特性，可以实现物体无约束的六自由度运动，以及多级物体的运动。对于船舶与海洋工程，在重叠网格的帮助下，可以实现船舶或海洋平台的大幅度运动、船舶带桨、带舵的自航和操纵等复杂问题的计算。本实施例利用重叠网格技术可以很好的模拟船舶在不同航速下的航行姿态。

通过步骤S4分析船舶在不同航速下的航行姿态来预报阻力，其阻力预报结果相较约束模型来说更为准确。

优选的，还包括步骤：

使用重叠网格将计算域划分为背景域和重叠域；

通过背景域捕捉自由液面，并分析流场情况；

通过重叠域测定船舶首尾复杂区域并进行局部加密，以捕捉流动细节。

基于重叠网格技术，将计算与划分为背景域和重叠域，背景域是用来捕捉自由液面，分析流场情况；重叠区域是测定船舶首尾较复杂的地方进行加密，捕捉更多流动细节，以实现很好的模拟大型船舶在不同航速下的航行姿态。

Realizable k-ε湍流模型对近壁面流场的处理采用壁面函数法，需要检查第一层网格节点布置，y+是第一层网格质心到壁面的无量纲距离，与速度、粘度、剪应力等有关，对于Realizable湍流模型，一般认为30～60为合理。经过对近壁面边界层网格的多次调整，y+值处于30～60之间，网格如图6所示，总体网格量约75万。边界条件设置如下表所示：

优选的，所述通过背景域捕捉自由液面还包括步骤：

使用VOF方法处理自由液面。

VOF方法即利用流体体积函数，在流场中的每个网格，这个函数定义为目标流体的体积与网格体积的比值，通过计算该函数在每个网格上的值，以实现对自由液面的追踪。

优选的，还包括步骤：

采用RANS方法和Realizable k-ε湍流模型对不同纵倾状态下的阻力进行数值计算。

在考虑船舶的航态纵倾和升沉状态采用用RANS方法和Realizable k-ε湍流模型对不同纵倾状态下的阻力进行数值计算。

优选的，采用RANS方法和Realizable k-ε湍流模型对阻力进行数值计算具体为：

采用RANS控制方程组，包括连续性方程和动量守恒方程；

使用Realizable k-ε湍流模型封闭RANS控制方程；

计算船舶总阻力系数并根据船舶总阻力系数对船舶纵向航态及阻力进行预报。

优选的，所述RANS方程的张量形式为：

其中，i，j＝1，2，3，Re为雷诺数，Re＝vd/γ＝ρvd/μ，d为管道直径，γ为运动粘性系数，ui为雷诺平均速度分量，p为压强，ui'为湍流脉动速度分量。

优选的，所述Realizable k-ε湍流模型的湍流动能k和湍流耗散率ε的输运方程为：

湍流粘性的计算为：

C_μ不再是常数：

其中，v为平均流速，μ为动力粘度，ρ为流体密度都是已知材料性质，k为湍流动能，ε为湍流耗散率，t为时间。

优选的，所述计算船舶总阻力系数方程为：

R_t＝R_f+R_r (8)

其中，Ct为总阻力系数，Rt为船舶总阻力，Rf为摩擦阻力，Rr为剩余阻力，U、V均表示船模速度，为雷诺数，L表示船宽，Fr为弗汝德数，ρ为水密度，Sw为船模的湿表面积,L²＝Sw。

与现有技术相比，本发明采用RANS方法结合重叠网格技术对船舶进行纵向航态与阻力预报研究，通过分析船舶航行姿态对大型船舶阻力性能的影响，采用计及船舶航态纵倾及升沉的自由模型对船舶航态及阻力进行预报，其阻力预报结果更加精准。

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 (8)

1.一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，其特征在于，包括步骤：

分别对自由模型与约束模型不同航速下的阻力进行数值计算；

对自由模型和约束模型的计算结果进行对比，分析航行姿态对船舶阻力性能的影响；

采用自由模型对不同航速下的船舶下沉量和纵倾值进行分析并通过重叠网格模拟船舶在不同航速下的航行姿态；

通过分析船舶在不同航速下的航行姿态以预报阻力。

2.如权利要求1所述的一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，其特征在于，还包括步骤：

使用重叠网格将计算域划分为背景域和重叠域；

通过背景域捕捉自由液面，并分析流场情况；

通过重叠域测定船舶首尾复杂区域并进行局部加密，以捕捉流动细节。

3.如权利要求2所述的一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，其特征在于，所述通过背景域捕捉自由液面还包括步骤：

使用VOF方法处理自由液面。

4.如权利要求1所述的一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预防方法，其特征在于，还包括步骤：

采用RANS方法和Realizable k-ε湍流模型对不同纵倾状态下的阻力进行数值计算。

5.如权利要去4所述的一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，其特征在于，采用RANS方法和Realizable k-ε湍流模型对阻力进行数值计算具体为：

采用RANS控制方程组对湍流进行数值模拟，包括连续性方程和动量守恒方程；

使用Realizable k-ε湍流模型封闭RANS控制方程；

计算船舶总阻力系数并根据船舶总阻力系数对船舶纵向航态及阻力进行预报。

6.如权利要求5所述的一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，其特征在于，所述RANS方程的张量形式为：

其中，i，j＝1，2，3，Re为雷诺数，Re＝vd/γ＝ρvd/μ，d为管道直径，γ为运动粘性系数，ui为雷诺平均速度分量，p为压强，ui'为湍流脉动速度分量。

7.如权利要求5所述的一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，其特征在于，所述Realizable k-ε湍流模型的湍流动能k和湍流耗散率ε的输运方程为：

湍流粘性的计算为：

C_μ不再是常数：

其中，v为平均流速，μ为动力粘度，ρ为流体密度都是已知材料性质，k为湍流动能，ε为湍流耗散率，t为时间。

8.如权利要求5所述的一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法，其特征在于，所述计算船舶总阻力系数方程为：

R_t＝R_f+R_r (8)

其中，Ct为总阻力系数，Rt为船舶总阻力，Rf为摩擦阻力，Rr为剩余阻力，U、V均表示船模速度，为雷诺数，L表示船宽，Fr为弗汝德数，ρ为水密度，Sw为船模的湿表面积,L²＝Sw。