基于CFD软件的三维船体粘性流的数值模拟
- 格式：doc
- 大小：17.00 KB
- 文档页数：3
基于CFD软件的三维船体粘性流的数值模拟
作者：黄丽
来源：《广东造船》2011年第03期
摘要：利用商业CFD计算软件FLUENT，在不考虑自由液面情况下，对某低速肥大型船进行粘性流数值模拟，得到在不同傅氏数下的船体摩擦阻力系数及船体周围流场信息，通过把数值模拟计算的摩擦阻力系数和经验公式相比较，验证了FLUENT用于预报三维船体摩擦阻力的有效性，所得到的船体周围的流场信息可以为线型的优化提供一定的参考数据。
关键词：三维船体；粘性流场；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
计算流体力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程(Eluer或Navier-Stokes方程)以发现各种流动现象的规律的学科，在船舶阻力性能、推进性能、操纵性能及波浪中的运动等方面有着重要的发展和积极的应用，已经成为船舶型线设计及优化的新兴手段，在国外得到广泛应用。
它与以往先制作船模、再进行水池试验相比，船型开发的时间和费用可以大幅度下降，还有利于更好地提高所开发船型的性能，大大减少对船模试验水池的依赖。
对于低速肥大船型，由于其线型丰满、湿表面积大、傅氏数低，粘性阻力在总阻力中所占比例很大，从而粘性阻力的大小是影响船舶快速性的主要因素。
本文的粘性数值模拟是应用商
业CFD软件FLUENT，对某低速肥大船，在不考虑自由液面情况下，进行数值模拟计算，分
析船体周围流动，并将计算结果与ITTC摩擦阻力系数公式比较，验证数值计算的正确性和有效性。
1模型的建立与网格划分
本文的船舶模型由GAMBIT软件生成。
GAMBIT软件是面向CFD几何建模的网格生成软件，由于不考虑自由面的影响，船体是左右对称的，因此只需要对半个船体进行建模，根据型线图所建三维实体模型图如图1所示（为了便于显示，已将模型镜像对称来显示整个船体）。
网格划分就是将计算区域离散化。
计算网格是流动控制方程数值离散的基础，它在很大程度上决定了流场数值解的精度，网格类型以及网格数量对计算结果的精度有很大影响，本文的计算模型采用分块画网格，船体周围为非结构化网格，其余区域为结构化网格，网格数为92万，无负面积、体积的网格，边长比在5以内，最大等角倾斜率为0.81，计算域和网格划分如图2所示。
2数值计算方法与结果分析
2.1数值计算方法
本文采用商业CFD 计算软件FLUENT 进行粘性数值模拟，计算船舶粘性阻力问题假设远前方均匀来流流过重叠的船模，来流水是粘性不可压缩的，考虑重叠模周围流动的对称性和流动分离的三维特性，边界条件设置为：入口边界为均匀速度入口，出口边界设为outflow，船
体表面设置为不可滑移的壁面条件，边界层域和远场域的公共面设为inter face 面，其他边界
面设置为对称面。
本文选取了k-ε湍流模型，对动量、湍动能的离散均采用二阶迎风格式，压力离散采用STANDARD格式，压力速度耦合采用SIMPLEC方式。
2.2结果及分析
2.2.1数值计算结果
本文的计算状态分别为傅氏数Fn=0.121 6,0.130 6, 0.139 6,0.148 6,0.157 6，计算所得的摩擦阻力系数与第八届ITTC推荐的平板公式计算结果的比较见表1，第八届ITTC推荐的平板公式:
从表1可以看出，用FLUENT软件计算得到的摩擦阻力系数和经验公式值比较接近，其
相对误差=(平板公式一计算结果)/平板公式)都在2%以内，由此可见数值模拟的准确性。
2.2.2流场信息
图3为傅氏数为0.130 6时的船体表面压力分布情况（仰视），颜色标记为静压（Pa），
以大气压为参考压力.
图4为船舶周围流体的速度矢量图，可见在船首，横向速度比较大，横向速度使得在首部产生舭涡，从而导致了首部出现低压力区域。
但如果首部低压区过大，会造成船舶的埋首现象，从而导致额外的阻力增加。
图5给出了船尾的流线图，从图中可以看出，往船尾方向，流线间的间距变大，并且往两侧流动，尾部流线存在一定的分离现象。
3结论
本文利用商业软件FLUENT，通过选取合适的湍流模式、计算参数，较好的模拟了船舶的粘性流动，得到的摩擦阻力系数与ITTC公式接（下转第页）（上接第页）
近，验证了数值计算的正确性；并且能够丰富、清晰的显示该船的流动细节，比如流线情况、船体压力分布情况等等，这些都是上述水池试验所不能得到的。
这些可为该船的进一步改型提供帮助。
参考文献
[1]许辉, 邹早建. 基于FLUENT 软件的小水线面双体船粘性流数值模拟[ J] . 武汉理工大学学报，2004( 2) : 8-10.
[2]周志勇.CFD 在船型优化中的应用[J];船舶设计通讯, 2005(2) : 82-84.
[3]王福军. 计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M]北京: 清华大学出版社，2004
[4]謝玲玲，陈顺怀，吴静萍.应用FLUENT软件优化船舶阻力性能[J].华中科技大学学报，2009,37.(6)
[5]CHANG Huai-xin,Liu Ying-zhong,Miao Guoping. Numerical Simulation of Three-dimensional Viscous Flow with Free Surface about a ship[J].Journal of Ship Mechanics,2003(6):33-39.。
