二維船型CFD的阻力評估

諸葛奕東

【摘 要】隨著船舶行業(yè)的迅猛發(fā)展，對于船舶阻力方面的研究越來越引起學(xué)者們的重視。另一方面，關(guān)于船舶減阻的研究也到了廣泛地關(guān)注。本文基于FLUENT軟件對二維船型進(jìn)行了阻力特性研究。首先通過FLUENT前處理軟件GAMBIT軟件進(jìn)行建模，然后劃分網(wǎng)格后，將劃分網(wǎng)格后的生成mesh文件，最后在FLUENT中進(jìn)行數(shù)值計算。

【關(guān)鍵詞】阻力；建模；FLUENT；數(shù)值計算

0 引言

船舶阻力是影響船舶快速性的重要內(nèi)容之一。阻力性能良好的船舶可以提高運(yùn)輸效率，節(jié)約能源，也直接關(guān)系到船舶的經(jīng)濟(jì)性能。船舶阻力性能評估是船型優(yōu)化的重要依據(jù)。研究船舶航行中的阻力問題對改善船舶快速性具有重大作用。經(jīng)過多年的發(fā)展，關(guān)于船舶阻力研究的手段和方法越來越多，內(nèi)容越來越深入，準(zhǔn)確性越來越高，其對船舶設(shè)計和建造的貢獻(xiàn)也越來越突出。準(zhǔn)確的阻力評估可以有效地為后期的工作提供很大的便利。

1 GAMBIT和Fluent簡介

GAMBIT軟件是面向CFD的專業(yè)前處理器軟件，它包含全面的幾何建模能力 ，具有靈活方便的幾何修正功能，當(dāng)從接口中導(dǎo)入幾何時會自動的合并重合的點(diǎn)、線、面；具有功能強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分工具，可以劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格。GAMBIT中專有的網(wǎng)格劃分算法可以保證在較為復(fù)雜的幾何區(qū)域可以直接劃分出高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW、NEKTON、ANSYS等求解器所需要的網(wǎng)格。

FLUENT是用于模擬具有復(fù)雜外形的物體周圍流體流動以及熱傳導(dǎo)的計算機(jī)程序。它提供了靈活的網(wǎng)格形狀，你可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以縮短產(chǎn)生網(wǎng)格所需要的時間。初始網(wǎng)格可以使用GAMIT等前處理軟件進(jìn)行。在流場的大梯度區(qū)域，為了非常準(zhǔn)確的預(yù)測流動，自適應(yīng)網(wǎng)格是非常有用的。與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，這一特點(diǎn)很明顯地減少了產(chǎn)生“好”網(wǎng)格所需要的時間。對于給定精度，解適應(yīng)細(xì)化方法使網(wǎng)格變得很簡單，并且減少了計算量。Fluent主要應(yīng)用于以下一些方面：航空航天、汽車、船舶與海洋工程、機(jī)械等，其為工業(yè)流動模擬求解。對于模擬復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)的不可壓縮、可壓縮流動來說，fluent是很理想的軟件。

2 問題描述

船體高H=2m，船底長L=10m。船艏與水平線夾角α=45°；船頭裝有長為a=1m的壓浪板，壓浪板與水線夾角為β=30°。若船體單位寬度上重為G=mg=17.5×103×9.81kg并以V=18km/h=5m/s勻速行駛在平靜的河水里，試研究此船舶的行駛過程和行駛阻力。

水的物理參數(shù)：密度ρ=1000kg/m3，動力黏度μ=1.7894×10-5Pa·s

空氣的物理參量：密度ρ=1.225kg/m3，動力黏度μ=1.7894×10-5Pa·s

3 模型建立

在船體附近創(chuàng)建一個相對較小的流域，其本意一是便于船體附近網(wǎng)格的加密，因為流動參數(shù)在這一區(qū)域的梯度較大；二是便于調(diào)整船體的升高或降低，當(dāng)然，當(dāng)水較深時也可通過調(diào)整水線位置來調(diào)整船體的升高或降低。

另外，值得說明的是本文中沒有考慮船體的縱傾角，即假設(shè)船體保持水平狀態(tài)；另外也沒考慮船舶的動力系統(tǒng)問題。

4 網(wǎng)格劃分

在形成封閉的流體域后就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分了，劃分網(wǎng)格是前處理過程中最困難的部分，網(wǎng)格單元劃分的好壞不僅決定了求解是否準(zhǔn)確，還決定了求解時間的長短。先后創(chuàng)建網(wǎng)格點(diǎn)分布，面網(wǎng)格，再創(chuàng)建外圍流域，緊接著就是網(wǎng)格劃分。劃分好的網(wǎng)格如圖1。

5 FLUENT數(shù)值計算

通過GAMIT建模劃分網(wǎng)格后，生成mesh文件，導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行設(shè)置并計算。

圖1 計算流域網(wǎng)格圖

按照如下步驟進(jìn)行求解計算，計算結(jié)果如下圖所示。

圖2 阻力殘差曲線

圖3 船體升力信息

從以上阻力殘差曲線以及船體升力信息可以看出，流動已經(jīng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

本文以某二維船型為例，在FLUENT軟件中進(jìn)行了模擬計算，獲得了較好的理論計算值。這主要?dú)w功于良好的自由面網(wǎng)格劃分。隨著CFD的發(fā)展，可對此類二維船型問題采用CFD技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步地模擬求解。

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[責(zé)任編輯：湯靜]