基于CFD軟件的三維船體粘性流的數(shù)值模擬

摘要：利用商業(yè)CFD計算軟件FLUENT，在不考慮自由液面情況下，對某低速肥大型船進行粘性流數(shù)值模擬，得到在不同傅氏數(shù)下的船體摩擦阻力系數(shù)及船體周圍流場信息，通過把數(shù)值模擬計算的摩擦阻力系數(shù)和經(jīng)驗公式相比較，驗證了FLUENT用于預(yù)報三維船體摩擦阻力的有效性，所得到的船體周圍的流場信息可以為線型的優(yōu)化提供一定的參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維船體；粘性流場；摩擦阻力；FLUENT

Numerical Simulation of Viscous Flow around Three-Dimensional Hull by CFD

HUANG Li

(CSSC Guangzhou Longxue Shipbuilding co.， Ltd. Guangzhou 511462)

Abstract: By using CFD software FLUENT， without considering the free surface， numerical simulation of viscous flow is made for a low-speed full form to obtain friction resistance coefficients under different Fround number and flow field information around hull. After comparing the friction resistance coefficients with ITTC formula， it is proved that the frictional resistance coefficients are consistent with the ITTC formula， the numerical calculation method is effective and the obtained flow field information around hull could provide reference data for optimization of ship line.

Key words: Three-Dimensional hull; Friction Resistance; Viscous Flow; FLUENT

計算流體力學(xué)（CFD，Computational Fluid Dynamics）是一門用數(shù)值計算方法直接求解流動主控方程(Eluer或Navier-Stokes方程)以發(fā)現(xiàn)各種流動現(xiàn)象的規(guī)律的學(xué)科，在船舶阻力性能、推進性能、操縱性能及波浪中的運動等方面有著重要的發(fā)展和積極的應(yīng)用，已經(jīng)成為船舶型線設(shè)計及優(yōu)化的新興手段，在國外得到廣泛應(yīng)用。它與以往先制作船模、再進行水池試驗相比，船型開發(fā)的時間和費用可以大幅度下降，還有利于更好地提高所開發(fā)船型的性能，大大減少對船模試驗水池的依賴。

對于低速肥大船型，由于其線型豐滿、濕表面積大、傅氏數(shù)低，粘性阻力在總阻力中所占比例很大，從而粘性阻力的大小是影響船舶快速性的主要因素。本文的粘性數(shù)值模擬是應(yīng)用商業(yè)CFD軟件FLUENT，對某低速肥大船，在不考慮自由液面情況下，進行數(shù)值模擬計算，分析船體周圍流動，并將計算結(jié)果與ITTC摩擦阻力系數(shù)公式比較，驗證數(shù)值計算的正確性和有效性。

1模型的建立與網(wǎng)格劃分

本文的船舶模型由GAMBIT軟件生成。GAMBIT軟件是面向CFD幾何建模的網(wǎng)格生成軟件，由于不考慮自由面的影響，船體是左右對稱的，因此只需要對半個船體進行建模，根據(jù)型線圖所建三維實體模型圖如圖1所示（為了便于顯示，已將模型鏡像對稱來顯示整個船體）。

網(wǎng)格劃分就是將計算區(qū)域離散化。計算網(wǎng)格是流動控制方程數(shù)值離散的基礎(chǔ)，它在很大程度上決定了流場數(shù)值解的精度，網(wǎng)格類型以及網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的精度有很大影響，本文的計算模型采用分塊畫網(wǎng)格，船體周圍為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余區(qū)域為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為92萬，無負面積、體積的網(wǎng)格，邊長比在5以內(nèi)，最大等角傾斜率為0.81，計算域和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2數(shù)值計算方法與結(jié)果分析

2.1數(shù)值計算方法

本文采用商業(yè)CFD 計算軟件FLUENT 進行粘性數(shù)值模擬，計算船舶粘性阻力問題假設(shè)遠前方均勻來流流過重疊的船模，來流水是粘性不可壓縮的，考慮重疊模周圍流動的對稱性和流動分離的三維特性，邊界條件設(shè)置為：入口邊界為均勻速度入口，出口邊界設(shè)為outflow，船體表面設(shè)置為不可滑移的壁面條件，邊界層域和遠場域的公共面設(shè)為inter face 面，其他邊界面設(shè)置為對稱面。

本文選取了k-ε湍流模型，對動量、湍動能的離散均采用二階迎風(fēng)格式，壓力離散采用STANDARD格式，壓力速度耦合采用SIMPLEC方式。

2.2結(jié)果及分析

2.2.1數(shù)值計算結(jié)果

本文的計算狀態(tài)分別為傅氏數(shù)Fn=0.121 6，0.130 6， 0.139 6，0.148 6，0.157 6，計算所得的摩擦阻力系數(shù)與第八屆ITTC推薦的平板公式計算結(jié)果的比較見表1，第八屆ITTC推薦的平板公式:

從表1可以看出，用FLUENT軟件計算得到的摩擦阻力系數(shù)和經(jīng)驗公式值比較接近，其相對誤差=(平板公式一計算結(jié)果)/平板公式)都在2%以內(nèi)，由此可見數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

2.2.2流場信息

圖3為傅氏數(shù)為0.130 6時的船體表面壓力分布情況（仰視），顏色標(biāo)記為靜壓（Pa），以大氣壓為參考壓力.

圖4為船舶周圍流體的速度矢量圖，可見在船首，橫向速度比較大，橫向速度使得在首部產(chǎn)生舭渦，從而導(dǎo)致了首部出現(xiàn)低壓力區(qū)域。但如果首部低壓區(qū)過大，會造成船舶的埋首現(xiàn)象，從而導(dǎo)致額外的阻力增加。

圖5給出了船尾的流線圖，從圖中可以看出，往船尾方向，流線間的間距變大，并且往兩側(cè)流動，尾部流線存在一定的分離現(xiàn)象。

3結(jié)論

本文利用商業(yè)軟件FLUENT，通過選取合適的湍流模式、計算參數(shù)，較好的模擬了船舶的粘性流動，得到的摩擦阻力系數(shù)與ITTC公式接（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

近，驗證了數(shù)值計算的正確性；并且能夠豐富、清晰的顯示該船的流動細節(jié)，比如流線情況、船體壓力分布情況等等，這些都是上述水池試驗所不能得到的。這些可為該船的進一步改型提供幫助。

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