CN111898204A - 一种用于带舵桨船舶的数值计算方法 - Google Patents

一种用于带舵桨船舶的数值计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，包括：S1，在CFD仿真软件中导入船舶主体、螺旋桨和船舵的几何模型；S2，基于所导入几何模型，设置背景域以及分别包含船、螺旋桨和船舵的局部区域；S3，将S2中所建区域分别与其对应的船、螺旋桨和船舵进行布尔减运算，建立船域、螺旋桨域和船舵域；S4，设置边界条件；S5，建立背景域与船域、船域与螺旋桨域和船舵域之间的多层次嵌套重叠关系；S6，生成重叠网格；S7，设置计算模型和刚体运动条件；S8，计算求解。本发明针对带舵桨船舶的运动提出了一种简单有效的数值计算方法，通过重叠网格处理螺旋桨和船舵的大幅度运动问题，实现稳定、精确的数值计算。本方法高效准确，具有较强的实际应用性。

Description

一种用于带舵桨船舶的数值计算方法
技术领域
本发明涉及一种船舶的数值计算方法，尤其涉及一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，属于计算流体动力学领域。
背景技术
近年来，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)技术由于成本低，周期短等优点，被广泛应用于建筑、能源、航天以及船舶等领域，从而实现优化设计和研究分析的目的。其中，在船舶领域常被用于研究船舶操纵性、阻力预测和耐波性等问题。
船舶在海上航行离不开船舶的操纵性能，在使用CFD研究船舶的操纵性时，螺旋桨和船舵的运动会对船体产生较大的力和力矩，使其运动姿态发生改变，因此必须考虑螺旋桨和船舵对船体的作用。
网格是几何域的离散表示，传统CFD方法一般采用滑移网格或变形网格模拟船舶的运动，由于在船舶的实际运动中，螺旋桨和船舵会进行大幅度旋转运动，与滑移网格和变形网格相比，重叠网格不仅能处理大幅度复杂运动，还能描述运动部分的姿态、较好地保证其收敛性。
重叠网格使用“挖洞”方法、多层次嵌套重叠的处理策略和重叠区域的高效找重算法，通过网格之间的重叠、嵌套和覆盖实现目标区域的叠加运动，非常适合处理船舶航行过程的舵、桨运动问题。综上，考虑使用一种多层次重叠网格的方法对船舶的主体、螺旋桨和船舵进行网格划分，以处理船舶操纵性运动问题。
目前已有技术主要采用体积力模型，对螺旋桨进行近似替代。此方法减少了一定的计算量，在早期被广泛应用于船、桨配合的数值运算中，但同时也设置了较多的假定条件，如无粘条件和无限桨叶等，对于船尾螺旋桨附近的流场不能实现精确的计算且无法真实模拟船体非定常运动的情况。因此针对以上问题，本专利中采用真实的螺旋桨模型进行数值计算。
另一方面，目前运用重叠网格模拟船舶运动的文献中，均采用相对运动坐标系的方法，即背景计算域随船舶自身的运动坐标系进行运动。此方法节省部分计算资源，但也有一定缺陷：在实际的计算过程中，由于误差的存在，难以保证背景域完全随船体域运动，会出现船体域偏离背景域中心甚至脱离背景域的情况，最终造成浮点运算异常。因此针对以上问题，本专利中采用静止的大背景计算域进行数值计算。
通过对现有方法的探索，并未发现类似专利。因此针对需要考虑船舶螺旋桨和船舵大幅度运动的船舶操纵性分析，提出一种用于带舵桨船舶的数值计算方法是有一定前景的。
发明内容
本发明的目的是为了解决船舶舵桨大幅度运动条件下的流体计算分析问题而提供一种用于带舵桨船舶的数值计算方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，包括如下步骤：
步骤1：建立船体、螺旋桨和船舵的三维几何模型，并根据几何模型建立大地坐标系和随动坐标系；
步骤2：基于所导入几何模型，设置背景域以及分别包含船、螺旋桨和船舵的局部区域；
步骤3：将步骤2中所建区域分别与其对应的船、螺旋桨和船舵进行布尔减运算，建立船域、螺旋桨域和船舵域；
步骤4：设置边界条件；
步骤5：建立背景域与船域、船域与螺旋桨域和船舵域之间的多层次嵌套重叠关系；
步骤6：生成重叠网格；
步骤7：设置计算模型和刚体运动条件；
步骤8：计算求解，得到结果。
本发明还包括这样一些特征：
所述步骤1具体包括：
1.1建立船体、螺旋桨和船舵的三维几何模型，其中各部分几何模型均为封闭的实体模型；
1.2建立固定在地球上的大地坐标系；
所述步骤2具体包括：以船体重心为基准，设置背景计算域的长度为8L，其中船前7L，船后L；宽度为8L，其中船舶左侧1L，右侧7L；高度为1.5L，其中船上方高度0.5L，船下方L，其中L表示船长；设置船域长度为1.2L，其中前0.6L，后0.6L；宽0.8L，其中左侧0.4L，右侧0.4L；高度为0.6L，其中上方0.3L，下方0.3L；
所述步骤4具体包括：设置边界条件；设置背景域的出口边界为压力边界，其余背景域边界为速度入口边界；设置船体、螺旋桨和船舵表面为避免；设置其余边界为重叠网格；
所述步骤5具体包括：建立背景域与船域、船域与螺旋桨域和船舵域之间的多层次嵌套重叠关系，即船域作为背景域的重叠部分，螺旋桨域和船舵域作为船域的重叠部分；
所述步骤6具体包括：生成重叠网格，满足背景网格、船域和各舵桨域之间的网格尺寸比为1:0.5:0.25；
所述步骤7具体包括：进行模型的设置，包括设置隐式不定常、欧拉多相流、K-Epsilon 湍流模型以及流体域体积；然后进行参数设置，包括多相流体和初始条件的设置；接下来设置刚体运动条件，设置船体为允许横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡的6自由度运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明使用重叠网格方法，相较于滑移网格和变形网格方法，本发明突破了传统方法在动网格问题上的局限性，能有效地处理大幅度的船舶舵桨运动；
2、本发明使用实体螺旋桨模型进行运动的数值模拟，相较于传统的体积力方法，能够更加真实地还原船体运动中螺旋桨周围流场的变化情况，从而增加整体的计算精度；
3、本发明采用一静止的大计算域作为重叠区域的背景计算域，相较于常规的相对运动坐标系方法，能够更有效地保障计算结果的精确性和稳定性。
附图说明
图1是本发明的数值计算方法的流程框图；
图2是本发明一实施例中各区域示意图；
图3是本发明一实施例中重叠部分网格划分效果图；
图4是本发明一实施例中网格整体效果图；
图5是本发明一实施例中船舶回转运动示意图；
图6是本发明一实施例中船体回转运动轨迹图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提出了一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，分别生成船域、螺旋桨域以及船舵域的重叠网格并嵌套，用于解决船舶舵桨大幅度运动条件下的流体计算分析问题。
所述用于带舵桨船舶的数值计算方法的技术方案分为以下步骤：
S1，在CFD仿真软件中导入船舶主体、螺旋桨和船舵的几何模型；
S2，基于所导入几何模型，设置背景域以及分别包含船、螺旋桨和船舵的局部区域；
S3，将S2中所建区域分别与其对应的船、螺旋桨和船舵进行布尔减运算，建立船域、螺旋桨域和船舵域；
S4，设置边界条件；
S5，建立背景域与船域、船域与螺旋桨域和船舵域之间的多层次嵌套重叠关系；
S6，生成重叠网格；
S7，设置计算模型和刚体运动条件
S8，计算求解；
所述导入CFD仿真中的船舶几何模型为封闭的实体模型。
所述背景域、船域和船舵域均为长方体计算域，螺旋桨域为圆柱体计算域。
所述布尔减运算是指对两个物体进行差集的运算，本发明中通过布尔减运算能够得到一个挖掉目标对象内部的区域，从而能够对船、螺旋桨和船舵附近的流体进行数值计算。
所述边界条件采用如下设定：船体、螺旋桨以及船舵的边界设置为壁面边界；船尾指向的背景域边界设置为压力出口，其余背景域边界均设置为速度入口；剩余未说明边界均为重叠网格边界。
所述生成的重叠网格采用非结构化网格，网格类型为切割体网格，且所有网格质量均大于0.01。
所述计算模型设置为隐式不定常、三维、K-Epsilon湍流、VOF波、欧拉多相流。
所述刚体运动条件设置为6自由度运动，通过螺旋桨为船体提供动力，通过船舵改变船的方向。
为更好的展示本发明的技术方案和优点，接下来将通过一具体实施例，对本发明的具体实现方式进行清晰、完整的阐述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例
本实施例中一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，如附图1所示，包括以下内容：
在CFD仿真软件中导入船舶主体、螺旋桨和船舵的几何实体模型。
基于所导入几何模型，设置背景域以及分别包含船、螺旋桨和船舵的局部区域。为了能够满足船舶在开敞水域进行运动，以船体重心为基准，将背景计算域的长度设置为8L，其中船前7L，船后L；宽度为8L，其中船舶左侧1L，右侧7L；高度为1.5L，其中船上方高度0.5L，船下方L，其中L表示船长。同样以船体重心为基准，设置船域长度为1.2L，其中前0.6L，后0.6L；宽0.8L，其中左侧0.4L，右侧0.4L；高度为0.6L，其中上方0.3L，下方0.3L。各区域示意图如附图2所示。
为了对船体周围的区域进行计算，将S2中所建区域分别与其对应的船、螺旋桨和船舵进行布尔减运算，建立船域、螺旋桨域和船舵域。
设置边界条件，各部分边界条件设置如下表所示。
Figure RE-GDA0002657281090000041
Figure RE-GDA0002657281090000051
建立背景域与船域、船域与螺旋桨域和船舵域之间的多层次嵌套重叠关系，即船域作为背景域的重叠部分，螺旋桨域和船舵域作为船域的重叠部分，重叠部分网格划分效果如图3 所示。
根据船体各部分尺寸设置网格基础尺寸，并生成网格，网格整体效果如附图4所示。为了更好地体现水面处的流体细节，将水面处的网格进行加密处理。
为使计算的过程中始终保持收敛性，需要保证重叠部分网格具有较为接近的尺寸，本实施例中，设置背景网格、船域和各舵桨域之间的网格尺寸比为1:0.5:0.25。
本实施例中计算域流场计算的控制方程为非定常且不可压缩的RANS方程：
▽·U＝0 (1)
Figure RE-GDA0002657281090000052
式中：▽为求散度；U为速度场；pd＝p-ρg·x为动压力；ρ为液体或者气体的密度；x为空间坐标；g为重力加速度；μeff＝ρ(v+vt)为有效动力粘性，其中v为运动粘度，vt为涡粘度； fσ为表面张力项。
为保证壁面处和远流场求解的精确性，本实施例中湍流模型采用SST k-ω模型，其运输方程为：
Figure RE-GDA0002657281090000053
Figure RE-GDA0002657281090000054
式中：k为湍流动能；ω为特定耗散率；Gk为平均速度梯度产生的湍流动能；Gω为ω方程；Γk,Γω为k,ω的扩散率；Yk,Yω为湍流扩展项；Dk为交叉扩展项；Sk,Sω为自定义源项。
本实施例中自由面求解采用带有人工可压缩项的VOF(Volume of Fluid)方法，两相VOF 运输方程定义为：
Figure RE-GDA0002657281090000055
式中：α为两相流体的体积分数，Ur为用于压缩界面的速度场。
本实施例数值计算中采用有限体积法对控制方程进行离散，选择三维隐式非常态求解器和欧拉多相流模型，分离流对流项采用二阶迎风格式。
本实施例采用DFBI(Dynamic Fluid Body Interaction)模型对船舶运动进行模拟，为了能够更好地展现本实施例中所应用重叠网格划分方法的效果，本实施例对船舶的回转运动进行数值模拟，船舶回转运动示意图如图5所示。
随后根据已设置好的物理模型和运动条件进行数值计算，螺旋桨转速设为每分钟400转，舵角设置为20度，步长设置为0.01秒。经100秒迭代计算后，船舶已进行一个完整的回转运动，船体回转运动轨迹如图6所示。此时残差曲线依然保持收敛，可以认为计算结果是有效的，从而说明本发明所述计算方法是有效的。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求范围内进行适当的变形或修改，这并不脱离本发明技术方案的实质和范围。
综上所述：本发明提供一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，包括：S1，在CFD仿真软件中导入船舶主体、螺旋桨和船舵的几何模型；S2，基于所导入几何模型，设置背景域以及分别包含船、螺旋桨和船舵的局部区域；S3，将S2中所建区域分别与其对应的船、螺旋桨和船舵进行布尔减运算，建立船域、螺旋桨域和船舵域；S4，设置边界条件；S5，建立背景域与船域、船域与螺旋桨域和船舵域之间的多层次嵌套重叠关系；S6，生成重叠网格；S7，设置计算模型和刚体运动条件；S8，计算求解。本发明针对带舵桨船舶的运动提出了一种简单有效的数值计算方法，通过重叠网格处理螺旋桨和船舵的大幅度运动问题，实现稳定、精确的数值计算。本方法高效准确，具有较强的实际应用性。

Claims (7)

1.一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立船体、螺旋桨和船舵的三维几何模型，并根据几何模型建立大地坐标系和随动坐标系；
步骤2：基于所导入几何模型，设置背景域以及分别包含船、螺旋桨和船舵的局部区域；
步骤3：将步骤2中所建区域分别与其对应的船、螺旋桨和船舵进行布尔减运算，建立船域、螺旋桨域和船舵域；
步骤4：设置边界条件；
步骤5：建立背景域与船域、船域与螺旋桨域和船舵域之间的多层次嵌套重叠关系；
步骤6：生成重叠网格；
步骤7：设置计算模型和刚体运动条件；
步骤8：计算求解，得到结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
1.1建立船体、螺旋桨和船舵的三维几何模型，其中各部分几何模型均为封闭的实体模型；
1.2建立固定在地球上的大地坐标系。
3.根据权利要求1所述的一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：以船体重心为基准，设置背景计算域的长度为8L，其中船前7L，船后L；宽度为8L，其中船舶左侧1L，右侧7L；高度为1.5L，其中船上方高度0.5L，船下方L，其中L表示船长；设置船域长度为1.2L，其中前0.6L，后0.6L；宽0.8L，其中左侧0.4L，右侧0.4L；高度为0.6L，其中上方0.3L，下方0.3L。
4.根据权利要求1所述的一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：设置边界条件；设置背景域的出口边界为压力边界，其余背景域边界为速度入口边界；设置船体、螺旋桨和船舵表面为避免；设置其余边界为重叠网格。
5.根据权利要求1所述的一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：建立背景域与船域、船域与螺旋桨域和船舵域之间的多层次嵌套重叠关系，即船域作为背景域的重叠部分，螺旋桨域和船舵域作为船域的重叠部分。
6.根据权利要求1所述的一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：生成重叠网格，满足背景网格、船域和各舵桨域之间的网格尺寸比为1:0.5:0.25。
7.根据权利要求1所述的一种用于带舵桨船舶的数值计算方法，其特征在于，所述步骤7具体包括：进行模型的设置，包括设置隐式不定常、欧拉多相流、K-Epsilon湍流模型以及流体域体积；然后进行参数设置，包括多相流体和初始条件的设置；接下来设置刚体运动条件，设置船体为允许横荡、纵荡、艏摇、横摇、纵摇和垂荡的6自由度运动。
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