CN115034149A - 基于双向流固耦合的船舶表面柔性覆盖层的阻力计算方法 - Google Patents

基于双向流固耦合的船舶表面柔性覆盖层的阻力计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双向流固耦合的船舶表面柔性覆盖层的阻力计算方法，涉及船舶技术领域，该方法建立船舶表面的柔性覆盖层的上表面包含沟槽的覆盖层几何模型及其周围的流体计算域并对两者进行有限元网格划分，在每一次迭代时，将基于流体动力学模型对流体计算域进行非定常计算得到的流场信息作用于覆盖层几何模型的结构场控制方程，采用动网格技术根据得到的形变参数进行网格更新，充分考虑具有复杂结构的船舶表面柔性覆盖层的形变与周围流场之间的相互作用，实现流体和结构的耦合求解，利用较少的计算资源就能较为准确的预报船舶表面柔性覆盖层的阻力值，为后续船舶的减阻设计提供指导。

Description

基于双向流固耦合的船舶表面柔性覆盖层的阻力计算方法
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种基于双向流固耦合的船舶表面柔性覆盖层的阻力计算方法。
背景技术
减阻问题在船舶与海洋工程以及航空等诸多领域中都是研究的热点之一。首先，随着能源竞争的日益激烈化，节约能源、提高能源利用率成为人们普遍关注的热点，减阻问题也随之受到越来越多的重视。其次，随着沿海战略思想的更新，海战特点已从“消耗战”转向“速决战”，研制小阻力高速远航水下航行器受到重视，并将很快投入实战。因此，研究船舶表面的柔性覆盖层的减阻问题对于开辟新的减阻途径、节约能源和提高能源利用率、探索新型隐身覆盖层以及完善减阻理论体系具有非常重要的意义。
目前，国内外针对船舶表面的柔性覆盖层的阻力预报大多采用借助流体求解器计算获得柔性覆盖层表面的流体动力，然后代入结构控制方程从而获得表面的应力分布和位移。但事实上在流体的冲击下，柔性覆盖层的表面会发生相应的变形，尤其是船舶的柔性覆盖层的表面外形复杂并不是单纯的平板结构，这会使得其在流体冲击下的变形量更大，而结构的变形势必会对其周围的流场有所影响，因此通过现有的方法求解得到的阻力往往是不准确的，继而影响后续对船舶的减阻设计。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于双向流固耦合的船舶表面柔性覆盖层的阻力计算方法，本发明的技术方案如下：
一种基于双向流固耦合的船舶表面柔性覆盖层的阻力计算方法，该方法包括：
建立船舶表面的柔性覆盖层的覆盖层几何模型，并构建覆盖层几何模型周围的流体计算域，覆盖层几何模型的上表面包含沟槽，流体计算域的下边界与覆盖层几何模型的上表面重合形成流固耦合交界面；
对覆盖层几何模型和流体计算域分别进行有限元网格划分，对覆盖层几何模型进行网格划分得到的结构域网格与对流体计算域进行网格划分得到的计算域网格在流固耦合交界面上一一对应；
基于流体动力学模型对流体计算域进行非定常计算得到流场信息，流场信息包括速度场信息u和压力场信息p；
若未达到迭代终止条件，则对压力场信息p沿着覆盖层几何模型的上表面积分得到流体计算域作用在覆盖层几何模型上表面的流体载荷，并将流体载荷代入覆盖层几何模型的结构场控制方程得到覆盖层几何模型的上表面的形变参数，采用动网格技术根据覆盖层几何模型的上表面的形变参数对覆盖层几何模型和流体计算域进行有限元网格更新，并重新执行基于流体动力学模型对流体计算域进行非定常计算得到流场信息的步骤；
若达到迭代终止条件，则基于流场信息计算得到柔性覆盖层表面的阻力值。
其进一步的技术方案为，覆盖层几何模型为上表面包含沟槽的长方体平板结构，覆盖层几何模型的左右侧面之间的长度为L、前后侧面之间的宽度为B、上下表面之间的高度为h，覆盖层几何模型的上表面开设有若干条开槽方向平行的V型沟槽，每条V型沟槽的开槽方向沿着宽度方向且从覆盖层几何模型的前侧面开设至后侧面，每个V型沟槽在平行于覆盖层几何模型的前侧面的剖面上呈等边三角形结构。
其进一步的技术方案为，构建的流体计算域为长方体区域，流体计算域的下边界与覆盖层几何模型的开设V型沟槽的上表面重合，流体计算域的上边界与覆盖层几何模型的上表面之间的距离H远大于覆盖层几何模型的长度L，流体计算域的前边界与覆盖层几何模型的前侧面重合，流体计算域的后边界与覆盖层几何模型的后侧面重合，流体计算域的左边界平行于覆盖层几何模型的左侧面且与覆盖层几何模型的左侧面之间的距离L1远大于覆盖层几何模型的长度L，流体计算域的右边界平行于覆盖层几何模型的右侧面且与覆盖层几何模型的右侧面之间的距离L2远大于覆盖层几何模型的长度L。
其进一步的技术方案为，对覆盖层几何模型和流体计算域分别进行有限元网格划分，包括：
对流体计算域进行三维体网格的有限元网格划分，划分得到立体结构的计算域网格；对覆盖层几何模型进行二维面网格的有限元网格划分，划分得到平面的结构网格。
其进一步的技术方案为，在对流体计算域进行三维体网格的有限元网格划分时，流体计算域中越靠近流固耦合交界面的区域的网格划分密度越高，流体计算域中越远离流固耦合交界面的区域的网格划分密度越低。
其进一步的技术方案为，该方法还包括：
基于流体计算域的边界条件的初始条件对流体计算域进行定常计算得到定常结果，并将定常结果作为非定常计算的初始条件；
其中，流体计算域的边界条件包括：对流体计算域的左边界施加均匀速度入口边界条件，对流体计算域的右边界施加压力出口边界条件，对流体计算域的前边界和后边界均设置对称边界条件，对流体计算域的上边界施加无滑移壁面条件，对流体计算域的流固耦合交界面处的下边界施加流固耦合交界面边界条件，对流体计算域的除流固耦合交界面之外的下边界施加无滑移壁面条件；
流体计算域的初始条件包括：对作为流场入口的左边界设定初始的来流速度，对作为流场出口的右边界设定初始的压力值。
其进一步的技术方案为，覆盖层几何模型的结构场控制方程为：
Figure BDA0003608342720000031
其中，ρs为柔性覆盖层的单位长度的质量，damp为柔性覆盖层的阻尼系数，R为柔性覆盖层的刚度，Y表示覆盖层几何模型的上表面的形变参数，P表示流体载荷，t表示时间，x表示流体计算域中的流体的流动方向。
其进一步的技术方案为，流体动力学模型为：
Figure BDA0003608342720000032
其中，u表示流场信息中的速度场信息，p表示流场信息中的压力场信息，ρ表示流体计算域中的流体的密度，v表示流体计算域中的流体的运动粘性系数，F表示附加质量力。
其进一步的技术方案为，在基于流体动力学模型对流体计算域进行非定常计算时，采用SST k-ω两方程湍流模型封闭流体动力学模型。
其进一步的技术方案为，该方法还包括：
当达到迭代终止条件时，基于当前的流场信息计算得到柔性覆盖层表面的应力分布、形变参数以及模态分布。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种基于双向流固耦合的船舶表面柔性覆盖层的阻力计算方法，该方法考虑具有复杂结构的船舶表面柔性覆盖层的形变与周围流场之间的相互作用，将流体求解器和结构求解器耦合在一起，在每一个时间步内都进行信息交互和耦合求解直至迭代终止，利用较少的计算资源就能较为准确的预报船舶表面柔性覆盖层的阻力值，为后续船舶的减阻设计提供指导。
传统流固耦合计算方法仅适用于小变形的计算工况，即结构发生大幅变形时，其计算精度则无法保证。本发明在计算时，通过引入线性化的Euler-Bernoulli梁模型来表示覆盖层几何模型的结构场控制方程，该结构场控制方程理论上可以扩展为承受任意载荷下变形量的求解，适用范围广。
另外针对复杂表面结构的柔性覆盖层，本申请采用分块划分技术进行结构化网格生成，三维体网格相比于二维面网格具有收敛速度块、计算资源消耗少等优点，可大幅提升计算效率，且三维体网格可以很容易地实现区域的边界拟合，计算不容易发散且有助于提升计算精度。传统流固耦合计算方法的特征雷诺数较低(公开发表的文献中雷诺数小于103)。而本申请通过采用三维体网格划分技术以及引入湍流模型，特征雷诺数可达到106量级，更加贴合实际工程需求，应用范围较广。
附图说明
图1是一个实施例中的阻力计算方法的流程示意图。
图2是本申请建立的柔性覆盖层的覆盖层几何模型的结构示意图。
图3是图2所示的覆盖层几何模型在平行于覆盖层几何模型的前侧面的剖面上的剖面示意图。
图4是本申请建立的覆盖层几何模型周围的流体计算域的结构示意图。
图5是图4所示的流体计算域在流固耦合交界面处的放大示意图。
图6是本申请对流体计算域进行三维体网格的有限元网格划分的示意图。
图7是对流体计算域进行有限元网格划分后的前界面的示意图。
图8是图7中流固耦合交界面处的放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种基于双向流固耦合的船舶表面柔性覆盖层的阻力计算方法，该方法包括如下步骤，请参考图1：
步骤1，建立船舶表面的柔性覆盖层的覆盖层几何模型，并构建覆盖层几何模型周围的流体计算域。
覆盖层几何模型的上表面包含沟槽，具体的，请参考图2，覆盖层几何模型为上表面包含沟槽的长方体平板结构，覆盖层几何模型的左右侧面之间的长度为L、前后侧面之间的宽度为B、上下表面之间的高度为h。覆盖层几何模型的上表面开设有若干条开槽方向平行的V型沟槽，每条V型沟槽的开槽方向沿着宽度方向且从覆盖层几何模型的前侧面开设至后侧面。每个V型沟槽在平行于覆盖层几何模型的前侧面的剖面上呈等边三角形结构，如图3所示，每个V型沟槽的边长s1＝s2＝s3，一种典型的尺寸设置是，s1＝s2＝s3＝0.08mm。
流体计算域的下边界与覆盖层几何模型的上表面重合形成流固耦合交界面。本申请构建的流体计算域为长方体区域，如图4所示，流体计算域的下边界的部分区域与覆盖层几何模型的开设V型沟槽的上表面重合形成流固耦合交界面，如图中标号40处所示，流体计算域的下边界在流固耦合交界面40处的放大示意图如图5所示。流体计算域的上边界与覆盖层几何模型的上表面之间的距离H远大于覆盖层几何模型的长度L。流体计算域的前边界与覆盖层几何模型的前侧面重合，流体计算域的后边界与覆盖层几何模型的后侧面重合，因此流体计算域的前后边界之间的宽度与覆盖层几何模型的宽度相等均为B。流体计算域的左边界平行于覆盖层几何模型的左侧面且与覆盖层几何模型的左侧面之间的距离L1远大于覆盖层几何模型的长度L，流体计算域的右边界平行于覆盖层几何模型的右侧面且与覆盖层几何模型的右侧面之间的距离L2远大于覆盖层几何模型的长度L。远大于的含义表示两者之间的差值达到预定阈值，或者两者之间的倍数关系达到预定倍数，比如典型的，H＝50L，L1＝50L，L2＝50L。
步骤2，对覆盖层几何模型和流体计算域分别进行有限元网格划分。可以利用ICEM软件实现有限元网格划分。
基于提高计算精度的考虑，本申请采用分块划分的思想，对流体计算域和覆盖层几何模型采用不同的方法进行有限元网格划分：对流体计算域进行三维体网格的有限元网格划分，划分得到立体结构的计算域网格。且进一步的，基于提升计算精度的考虑，三维体网格采用六面体网格，相关参数设置为：全局基本尺寸(base size)设置为0.2mm，沟槽表面网格节点数为10，覆盖层几何模型第一层网格高度满足y+≤5。另外，为了节省计算资源和提升计算效率，在对流体计算域进行三维体网格的有限元网格划分时，流体计算域中越靠近流固耦合交界面的区域的网格划分密度越高，流体计算域中越远离流固耦合交界面的区域的网格划分密度越低，在一个实施例中，网格三向扩展比为1.414。如图6示出了流体计算域的有限元网格划分结果，如图7示出了流体计算域前边界的有限元网格划分结果的示意图，靠近流固耦合交界面处的计算域网格密度较高而显示为黑色。图7中流固耦合交界面周围的区域的有限元网格划分结果的放大示意图如图8所示。
对覆盖层几何模型进行二维面网格的有限元网格划分，划分得到平面的结构网格。二维面网格均匀划分，且相关参数设置为：全局基本尺寸设置为0.1mm。
对覆盖层几何模型进行网格划分得到的结构域网格与对流体计算域进行网格划分得到的计算域网格在流固耦合交界面上一一对应，这样才可以保证双向流固耦合计算时可以提升计算精度和计算效率。
步骤3，基于流体动力学模型对流体计算域进行非定常计算得到流场信息，流场信息包括速度场信息u和压力场信息p。
在一个实施例中，在对流体计算域进行非定常计算之前，首先基于流体计算域的边界条件的初始条件对流体计算域进行定常计算，也即不考虑覆盖层几何模型的结构变形，亦不考虑流场特性参数随时间的变化，通过定常计算可以得到初始的流场信息，包含初始的速度场信息u和压力场信息p，并将得到的定常结果作为非定常计算的初始条件。定常计算可以采用N-S方程进行迭代计算完成。
其中，流体计算域的边界条件包括：对流体计算域的左边界施加均匀速度入口边界条件(Velocity Inlet)，对流体计算域的右边界施加压力出口边界条件(PressureOutlet)，对流体计算域的前边界和后边界均设置对称边界条件(Symmetry)，对流体计算域的上边界施加无滑移壁面条件(No-slip Wall)，对流体计算域的流固耦合交界面处的下边界施加流固耦合交界面边界条件(Fluid-Solid Interface)，对流体计算域的除流固耦合交界面之外的下边界施加无滑移壁面条件。
流体计算域的初始条件包括：对作为流场入口的左边界设定初始的来流速度，初始的来流速度在流体的流动方向的速度值不为0、在其他方向的速度值为0，流体的流动方向也即从流体计算域的左边界指向右边界的x方向。对作为流场出口的右边界设定初始的压力值，比如设定初始的压力值为1.0×105Pa。
在进行非定常计算时，本申请使用的流体动力学模型为雷诺平均纳威-斯托克斯方程(RANS：Reynolds Average Navier-Stokes Equation)，其方程可分为连续性方程和动量方程，写为：
Figure BDA0003608342720000071
其中，u表示流场信息中的速度场信息，p表示流场信息中的压力场信息，ρ表示流体计算域中的流体的密度，v表示流体计算域中的流体的运动粘性系数，F表示附加质量力。
由于流体动力学模型不封闭，因此在基于流体动力学模型对流体计算域进行非定常计算时，采用SSTk-ω两方程湍流模型封闭流体动力学模型。
步骤4，若未达到迭代终止条件，则对压力场信息p沿着覆盖层几何模型的上表面积分得到流体计算域作用在覆盖层几何模型上表面的流体载荷P。当流场信息收敛时达到迭代终止条件，否则未达到迭代终止条件。或者设定迭代次数作为迭代终止条件，本申请对此不做限定。
将流体载荷P代入覆盖层几何模型的结构场控制方程得到覆盖层几何模型的上表面的形变参数Y。覆盖层几何模型的结构场控制方程基于线性化的Euler-Bernoulli梁模型进行构建，表示为：
Figure BDA0003608342720000072
其中，ρs为柔性覆盖层的单位长度的质量，damp为柔性覆盖层的阻尼系数，R为柔性覆盖层的刚度，
Figure BDA0003608342720000073
E表示柔性覆盖层的弹性模量，μ表示柔性覆盖层的泊松比。Y表示覆盖层几何模型的上表面的形变参数，P表示流体载荷，t表示时间，x表示流体计算域中的流体的流动方向。
采用动网格技术根据覆盖层几何模型的上表面的形变参数Y对覆盖层几何模型和流体计算域进行有限元网格更新。实际操作时，可以仅对流固耦合交界面周围预定区域内的有限元网格进行更新，从而得到新的流固耦合交界面以及新的有限元网格划分的结果。
在对流固耦合交界面以及有限元网格更新后，重新执行基于流体动力学模型对流体计算域进行非定常计算得到流场信息的步骤，迭代执行。
步骤5，若达到迭代终止条件，则基于流场信息计算得到柔性覆盖层表面的阻力值，具体由流场信息能得到阻力值的计算方式可以结合现有的计算方法。除了可以得到柔性覆盖层表面的阻力值之外，基于当前的流场信息还可以计算得到柔性覆盖层表面的的应力分布、形变参数以及模态分布。
以上的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双向流固耦合的船舶表面柔性覆盖层的阻力计算方法，其特征在于，所述方法包括：
建立船舶表面的柔性覆盖层的覆盖层几何模型，并构建所述覆盖层几何模型周围的流体计算域，所述覆盖层几何模型的上表面包含沟槽，所述流体计算域的下边界与所述覆盖层几何模型的上表面重合形成流固耦合交界面；
对所述覆盖层几何模型和所述流体计算域分别进行有限元网格划分，对所述覆盖层几何模型进行网格划分得到的结构域网格与对所述流体计算域进行网格划分得到的计算域网格在所述流固耦合交界面上一一对应；
基于流体动力学模型对所述流体计算域进行非定常计算得到流场信息，所述流场信息包括速度场信息u和压力场信息p；
若未达到迭代终止条件，则对压力场信息p沿着所述覆盖层几何模型的上表面积分得到所述流体计算域作用在所述覆盖层几何模型上表面的流体载荷，并将所述流体载荷代入所述覆盖层几何模型的结构场控制方程得到所述覆盖层几何模型的上表面的形变参数，采用动网格技术根据所述覆盖层几何模型的上表面的形变参数对所述覆盖层几何模型和所述流体计算域进行有限元网格更新，并重新执行所述基于流体动力学模型对所述流体计算域进行非定常计算得到流场信息的步骤；
若达到迭代终止条件，则基于所述流场信息计算得到所述柔性覆盖层表面的阻力值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述覆盖层几何模型为上表面包含沟槽的长方体平板结构，所述覆盖层几何模型的左右侧面之间的长度为L、前后侧面之间的宽度为B、上下表面之间的高度为h，所述覆盖层几何模型的上表面开设有若干条开槽方向平行的V型沟槽，每条V型沟槽的开槽方向沿着宽度方向且从所述覆盖层几何模型的前侧面开设至后侧面，每个V型沟槽在平行于所述覆盖层几何模型的前侧面的剖面上呈等边三角形结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，构建的所述流体计算域为长方体区域，所述流体计算域的下边界与所述覆盖层几何模型的开设V型沟槽的上表面重合，所述流体计算域的上边界与所述覆盖层几何模型的上表面之间的距离H远大于所述覆盖层几何模型的长度L，所述流体计算域的前边界与所述覆盖层几何模型的前侧面重合，所述流体计算域的后边界与所述覆盖层几何模型的后侧面重合，所述流体计算域的左边界平行于所述覆盖层几何模型的左侧面且与所述覆盖层几何模型的左侧面之间的距离L1远大于所述覆盖层几何模型的长度L，所述流体计算域的右边界平行于所述覆盖层几何模型的右侧面且与所述覆盖层几何模型的右侧面之间的距离L2远大于所述覆盖层几何模型的长度L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述覆盖层几何模型和所述流体计算域分别进行有限元网格划分，包括：
对所述流体计算域进行三维体网格的有限元网格划分，划分得到立体结构的计算域网格；对所述覆盖层几何模型进行二维面网格的有限元网格划分，划分得到平面的结构网格。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在对所述流体计算域进行三维体网格的有限元网格划分时，所述流体计算域中越靠近所述流固耦合交界面的区域的网格划分密度越高，所述流体计算域中越远离所述流固耦合交界面的区域的网格划分密度越低。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述流体计算域的边界条件的初始条件对所述流体计算域进行定常计算得到定常结果，并将所述定常结果作为非定常计算的初始条件；
其中，所述流体计算域的边界条件包括：对所述流体计算域的左边界施加均匀速度入口边界条件，对所述流体计算域的右边界施加压力出口边界条件，对所述流体计算域的前边界和后边界均设置对称边界条件，对所述流体计算域的上边界施加无滑移壁面条件，对所述流体计算域的流固耦合交界面处的下边界施加流固耦合交界面边界条件，对所述流体计算域的除流固耦合交界面之外的下边界施加无滑移壁面条件；
所述流体计算域的初始条件包括：对作为流场入口的左边界设定初始的来流速度，对作为流场出口的右边界设定初始的压力值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述覆盖层几何模型的结构场控制方程为：
Figure FDA0003608342710000021
其中，ρs为所述柔性覆盖层的单位长度的质量，damp为所述柔性覆盖层的阻尼系数，R为所述柔性覆盖层的刚度，Y表示所述覆盖层几何模型的上表面的形变参数，P表示所述流体载荷，t表示时间，x表示所述流体计算域中的流体的流动方向。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体动力学模型为：
Figure FDA0003608342710000031
其中，u表示流场信息中的速度场信息，p表示流场信息中的压力场信息，ρ表示所述流体计算域中的流体的密度，v表示所述流体计算域中的流体的运动粘性系数，F表示附加质量力。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在基于流体动力学模型对所述流体计算域进行非定常计算时，采用SST k-ω两方程湍流模型封闭所述流体动力学模型。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当达到迭代终止条件时，基于当前的流场信息计算得到所述柔性覆盖层表面的应力分布、形变参数以及模态分布。
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