參數(shù)化船型的阻力計(jì)算

朱芳艷

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430063)

船型阻力分析能夠?yàn)閷?shí)際船舶設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)計(jì)性能良好的船舶具有重要指導(dǎo)意義。本文通過(guò)CAD軟件生成參數(shù)化的幾何模型，并對(duì)其提取型值，應(yīng)用到CFD軟件中進(jìn)行計(jì)算。以標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算船舶模型KCS作為研究對(duì)象，通過(guò)在FRIENDSHIP平臺(tái)中構(gòu)建該船型，并應(yīng)用FRIENDSHIP平臺(tái)輸出計(jì)算幾何模型，供SHIPFLOW進(jìn)行CFD阻力數(shù)值計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)CAD與CFD的結(jié)合，為基于CFD的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

1 KCS船型建立

KCS船型其各種數(shù)據(jù)及阻力拖曳實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在Gothenburg 2000和Tokyo 2005會(huì)議資料中公布［1］。表1給出了KCS船型的主尺度。計(jì)算中采用縮尺比為31.6的模型，以便與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表1 KCS船型主尺度

采用FRIENDSHIP軟件建立KCS船型的幾何模型。它是完全基于特征形狀曲線的參數(shù)化建模，通過(guò)定義一些參數(shù)化的特征曲線和參數(shù)曲線即可創(chuàng)建一個(gè)參數(shù)化的船體曲面模型，其建?；舅枷耄?-3］是:首先構(gòu)建控制主要幾何特征的特征曲線和相關(guān)參數(shù)曲線，如側(cè)面輪廓線、甲板線、設(shè)計(jì)水線、外飄角曲線等;并定義橫剖線的曲線特征(feature)和曲線引擎(curve engine)，然后由這些特征曲線和剖線生成器生成光順橫剖線，最后利用蒙面法將這些橫剖線通過(guò)曲面生成對(duì)象(meta surface)生成光順曲面。在FRIENDSHIP中船型參數(shù)化建模過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 船型參數(shù)化建模過(guò)程示意

對(duì)船體曲面建模時(shí)，通常先從船體中間開(kāi)始或者最大橫剖面處開(kāi)始，然后向船體曲面的兩端方向延伸建模。因?yàn)镵CS船型沒(méi)有平行中體，所以可以從船型最大橫剖面處開(kāi)始向船體曲面的艏艉構(gòu)建曲面。構(gòu)建船體曲面時(shí)，為了適應(yīng)船體曲面的變化以及建模方便，需將船體曲面劃分成如圖2所示幾個(gè)曲面來(lái)分別建模。

圖2 建模時(shí)船體曲面劃分示意

在船型參數(shù)化建模中，特征參數(shù)與特征曲線的配置直接影響船體幾何形狀是船型參數(shù)化設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)。在該船型的參數(shù)化建模時(shí)，建立如圖3所示的特征參數(shù)曲線，包括橫剖面面積曲線SacCurve、甲板邊線deckCurve、平側(cè)線fos、甲板外飄線flareAtDeck、平底線fob等。

圖3 特征參數(shù)曲線

根據(jù)Feature中儲(chǔ)存的模板，曲線引擎在基線范圍內(nèi)任意位置生成截面，從而獲得每個(gè)曲面的截面形狀，得出關(guān)于曲面的完整數(shù)學(xué)描述。然后曲面生成對(duì)象在給定域中調(diào)用曲線引擎，將光順的基線和截面自動(dòng)生成光順的曲面，無(wú)需進(jìn)一步手動(dòng)光順。由于該曲面是完全采用參數(shù)描述，所以能很好地適應(yīng)系統(tǒng)性變形。建模完成后，整個(gè)船體的橫剖線圖見(jiàn)圖4。

圖4 船體橫剖線圖

2 CAD與CFD的數(shù)值計(jì)算接口技術(shù)

因?yàn)镾HIPFLOW軟件不具備直接生成船體的功能，需要一個(gè)型值文件(offset data)來(lái)實(shí)現(xiàn)幾何模型變換，從而生成網(wǎng)格用于計(jì)算，這就需要對(duì)兩個(gè)軟件的接口問(wèn)題進(jìn)行研究。

利用FRIENDSHIP平臺(tái)，生成相應(yīng)的幾何模型，然后由中間的接口生成器把幾何模型轉(zhuǎn)換輸出滿足CFD計(jì)算所需的數(shù)學(xué)模型，最后通過(guò)CFD計(jì)算相應(yīng)的船舶阻力性能［4］。

2.1 編程實(shí)現(xiàn)型值數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取

1)自動(dòng)化提取船體幾何型值數(shù)據(jù)。將整個(gè)船體模型分成四部分來(lái)考慮:船艏模型、船體主體模型、船艉模型和球尾模型。對(duì)船體曲面做橫剖線，并根據(jù)SHIPFLOW計(jì)算型值曲線的特點(diǎn)，提取這四部分型值。編寫Feature來(lái)實(shí)現(xiàn)船體幾何型值數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取。將Feature提取的四部分曲面的型值分別命名為Bulb、Hull、Stern、Boss，其特 征 位 置 參 數(shù) 為 xTransom、xbossTip、XFp、XbulbTip、bulbTipElevation、surfacegroup，它們?cè)诖椭械膶?duì)應(yīng)位置見(jiàn)圖5。

圖5 提取型值時(shí)曲面劃分示意

2)創(chuàng)建型值文件。設(shè)置好Feature中相關(guān)參數(shù)，并將這些型值數(shù)據(jù)合并，按照型值文件的數(shù)據(jù)格式，重新生成SHIPFLOW所需要的型值文件(Offset Data)。型值文件所產(chǎn)生的型值側(cè)視圖見(jiàn)圖6。圖7為船舶艏艉部型值放大后的示意圖。將型值文件導(dǎo)入到SHIPFLOW中，實(shí)現(xiàn)幾何模型變換，從而生成網(wǎng)格用于阻力數(shù)值計(jì)算。

3 CFD計(jì)算分析

3.1 CFD計(jì)算原理

選用SHIPFLOW進(jìn)行阻力計(jì)算。SHIPFLOW將流場(chǎng)劃分為三個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖8)，其區(qū)域劃分及每個(gè)區(qū)域使用的數(shù)值方法如下［5-6］。

圖8 船體周圍的流場(chǎng)域

1)勢(shì)流區(qū)，采用高階面元法進(jìn)行計(jì)算。高階面元法用大量的二次曲面或任意階曲面面元將物體表面離散，面元上的源強(qiáng)采呈線性分布或其它函數(shù)(如樣條函數(shù))分布。高階面元法能更準(zhǔn)確的反應(yīng)物體表面幾何形狀，計(jì)算精確度更高。

2)薄邊界層區(qū)，使用基于積分法邊界層方法計(jì)算船體前部及中部的邊界層。積分法依據(jù)動(dòng)量微分方程沿邊界層厚度上積分，使用勢(shì)流壓力分布作為初始輸入?yún)?shù)。通過(guò)船體邊界層的計(jì)算，可以得到前部2/3的船體上的摩擦阻力。

3)湍流區(qū)，使用RANS方程求解。RANS方程解的邊界條件由前面的勢(shì)流和邊界層計(jì)算結(jié)果獲得。數(shù)值方法采用有限體積法，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法。求解RANS方程時(shí)選用EASM湍流模型。

3.2 興波阻力計(jì)算

計(jì)算KCS船模在不同航速狀態(tài)下的興波阻力，然后對(duì)比計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而考查參數(shù)化模型是否適用于CFD數(shù)值模擬。

基于勢(shì)流理論的興波阻力計(jì)算，其計(jì)算精度與流場(chǎng)特性在很大程度上取決于網(wǎng)格質(zhì)量。在設(shè)計(jì)航速狀態(tài)(Fr=0.26，Re=1.4×107)下，船體表面和自由液面網(wǎng)格如圖9所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖9 KCS的船體表面和自由液面網(wǎng)格示意

表2 KCS船的興波阻力計(jì)算結(jié)果

船體自由升沉和縱傾狀態(tài)下的波高等值線分布、船體表面波形對(duì)比和在船側(cè)y/Lpp=-0.150 9處波形對(duì)比見(jiàn)圖10～12，其中圖11、12的實(shí)線代表阻力拖曳實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖11可見(jiàn)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，沿著船體大部分的波形與實(shí)驗(yàn)較吻合，船艏艉部分的波形與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有點(diǎn)偏差。

3.3 粘性阻力計(jì)算

采用1/4圓柱形計(jì)算域，半徑為1.5倍船長(zhǎng)，軸向從船中延伸至船艉后0.8倍船長(zhǎng)。網(wǎng)格數(shù)為160×70×100(軸向網(wǎng)格數(shù)×周向網(wǎng)格數(shù)×徑向網(wǎng)格數(shù))。

計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較見(jiàn)表3。

表3 KCS船的粘性阻力計(jì)算結(jié)果

圖13 總阻力系數(shù)結(jié)果對(duì)比

圖13 為總阻力系數(shù)結(jié)果對(duì)比圖。從圖13可見(jiàn)，總阻力的數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，但存在一定誤差。計(jì)算時(shí)將粘性阻力和興波阻力分別計(jì)算的。在計(jì)算興波阻力時(shí)，不考慮粘性的作用，把流體當(dāng)作理想流體，而在計(jì)算粘性阻力時(shí)，忽略自由液面的影響。而在實(shí)際流動(dòng)中，粘性和興波一般是同時(shí)存在并相互耦合的。船舶周圍流場(chǎng)的計(jì)算必須同時(shí)考慮自由液面和粘性的影響。結(jié)果表明基于參數(shù)化建模的FRIENDSHIP軟件所創(chuàng)建的幾何模型具有很好可靠度，該數(shù)值計(jì)算方法對(duì)船舶阻力的初步預(yù)報(bào)是可行的，能夠?yàn)閷?shí)際船舶設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)計(jì)性能良好的船舶具有重要指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本文建立完全參數(shù)化幾何模型，計(jì)算其阻力，實(shí)現(xiàn)了CFD和CAD的結(jié)合。數(shù)值結(jié)果表明該參數(shù)化船型適用于CFD數(shù)值模擬，反映了總阻力變化趨勢(shì)，但其精度方面與工程要求還有一定差距，因此，對(duì)于船體周圍流場(chǎng)計(jì)算，還應(yīng)對(duì)邊界條件的處理和計(jì)算方法的改進(jìn)進(jìn)行深入的研究，使其更加完善并早日投入船型優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用。

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