影响船舶CFD模拟的因素分析与三体船阻力计算改进探讨

摘要

近十多年来，随着计算机技术和计算流体动力学理论及技术的迅猛发展，CFD技术越来越广泛地用于船舶水动力性能的研究。相对于传统的水池拖曳试验方法和半理论半经验公式的估算方法，CFD方法在船舶水动力性能研究中展现了流场模拟的优势，已经成为船舶阻力、推进、操纵等性能研究的有效手段。但受限于CFD理论及技术的发展水平，采用该技术得到的数值结果受到多种模拟误差及不确定度的影响，并且各种误差及不确定度降低了数值计算的可靠性及可信度。因此，分析影响船舶CFD模拟精度的各种因素并探讨有关改进数值计算的方法具有很重要的意义。 论文中为了达到改进船体阻力等水动力性能数值计算的目的，详细分析了网格、湍流模型理论及离散格式等因素对船舶CFD模拟精度的影响，并借助船体阻力性能的研究探讨了多种改进船体性能研究的方法的可行性和有效性，最后尝试性地提出一种新的实用的改进船体阻力计算的方法并加以了验证。由于船舶CFD模拟中影响船体阻力计算精度的因素同样会影响其它水动力性能的研究，因此论文中基于船体阻力计算得到的相关结论同样适用于其它水动力性能的研究。 为了确定网格因素对船体阻力数值计算精度的影响，论文中引入CFD检验和有效性验证中的网格误差及不确定度分析方法，开展网格收敛研究分析简单Wigley船型和数学三体船型阻力的数值计算中网格误差及不确定度的影响。结果表明网格收敛研究可以提高船体阻力数值计算的可靠性和可信度；为了确定湍流封闭模型理论对船体阻力数值计算的影响，文中以Wigley船型和数学三体船型为研究对象，计算了基于不同湍流模型的船体阻力，同时开展了湍流模型常(系)数的敏感性研究。结果表明，现有的各种湍流模型用于三体船阻力的数值计算时会导致不同的模型误差及不确定度：两种常见湍流模型中推荐的模型常(系)数适用于三体船的阻力性能计算。文中也指出了比较适用于三体船型阻力计算的湍流模型；了确定对流项离散格式对船体阻力数值计算的影响，文中以Wigley船型和数学三体船型为研究对象，计算了不同离散格式情况下的船体阻力。研究结果表明，不同对流项离散格式会导致船体阻力计算值发生变化。与网格、湍流模型等因素相比，对流项离散格式对船体阻力数值计算的影响程度较小。 依据Wjgley船型和数学三体船型阻力性能研究的结论，文中分别从网格、湍流模型及对流项离散格式等角度改进三体船模型的阻力计算，但效果不明显。 对大量计算结果研究发现，在船体阻力的数值计算中，由网格、湍流模型、离散格式及其它因素所导致的误差及不确定度无法彻底排除。各种误差的存在影响船体阻力计算值与试验值之间偏差的大小。根据CFD增量研究的方法和思想，文中在认可船体阻力计算中各种误差不可避免的前提下，基于误差抵消思想提出一种新的改进阻力计算的方法。计算结果及验证研究表明该方法有助于改进三体船型的阻力计算。但该方法还仅仅是雏形，需要进一步从理论及方法上加以完善与发展。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本文研究背景

1.1.1船舶CFD的发展

1.1.2国内外高性能单体及多体船型的研究状况及背景

1.2 CFD检验和有效性验证

1.3船体阻力等水动力性能的研究方法

1.4影响阻力等水动力性能数值计算的主要因素及处理方法

1.5论文的选题

1.6论文研究工作的内容与创新

1.7论文研究工作的局限性

1.8本章小结

第2章湍流模型理论及船体绕流场控制方程

2.1湍流模型理论的发展

2.2船体绕流场的基本控制方程

2.3雷诺应力方程、κ方程及ε方程的推导

2.3.1雷诺应力方程的推导

2.3.2湍动能κ方程的推导

2.3.3耗散率ε方程的推导

2.4雷诺应力方程、κ方程及ε方程的模化

2.4.1方程模化的原则

2.4.2雷诺应力输运方程的模化

2.4.3 k方程的模化

2.4.4 ε方程的模化

2.4.5方程模化后常(系)数的确定

2.5.1零方程湍流模型

2.5.2一方程湍流模型

2.5.3 κ-ε二方程湍流模型

2.5.4 RNG κ-ε二方程湍流模型

2.5.5 κ-ω二方程湍流模型

2.5.6 SST(Shear Stress Transport)湍流模型

2.5.7雷诺应力模型(Reynolds Stress Model)

2.6大涡模拟方法及直接数值模拟方法概述

2.6.1大涡模拟(Large Eddy Simulation，LES)

2.6.2直接数值模拟(Direct Numerical Simulation，DNS)

2.7固体壁面的处理

2.8关于自由表面

2.8.1船舶CFD模拟中考虑自由表面的意义

2.8.2目前CFD领域较流行的自由表面处理方法

2.8.3 VOF方法的简单介绍

2.9本章小结

第3章网格收敛研究

3.1 CFD检验和有效性验证

3.1.1 CFD检验和有效性验证的概念及理论基础

3.1.2 CFD检验(CFD Verification)

3.1.3 CFD有效性验证(CFD Validation)

3.2网格收敛研究的必要性

3.3网格收敛研究的实施

3.3.1网格收敛研究的基本步骤

3.3.2 Wigley船型阻力计算的网格收敛研究

3.3.3数学三体船型阻力计算的网格收敛研究

3.4本章小结

第4章湍流封闭模型对船体阻力性能研究的影响

4.1概述

4.2湍流模型在船舶性能研究中的应用及适用性

4.3湍流模型对船体粘性绕流场的模拟结果影响分析

4.3.1湍流模型对Wigley船型阻力计算的影响

4.3.2湍流模型对数学三体船型阻力计算的影响

4.4本章小结

第5章模型常(系)数对船体阻力性能研究的影响

5.1概述

5.2求解船体绕流场时湍流模型常(系)数的适用性研究

5.3 Wigley船型阻力计算值对模型常(系)数的敏感性分析

5.3.1 κ-ε湍流模型常(系)数的敏感性分析

5.3.2 κ-ω湍流模型常(系)数的敏感性分析

5.4湍流模型常(系)数的敏感性验证

5.5本章小结

第6章离散格式对船体阻力性能研究的影响

6.1概述

6.2关于有限体积法

6.3对流项离散格式的重要性和及其分类

6.4不同对流项离散格式下船体阻力计算结果

6.5计算结果分析

6.6本章小结

第7章三体船型阻力计算的改进

7.1概述

7.2改进三体船型阻力性能预报的途径与方法

7.3三体船模型水池拖曳试验及其阻力预算结果

7.3.1三体船拖曳模型及计算模型

7.3.2三体船模型的阻力试验值及阻力预算结果

7.4提高网格质量改进三体船模型阻力性能预报

7.4.1采用网格自适应技术提高网格质量

7.4.2生成分块网格提高网格质量

7.5合理选择湍流模型改进三体船模型阻力性能预报

7.6合理选择对流项离散格式改进三体船模型阻力性能预报

7.7各种改进三体船模型阻力性能预报方法的比较

7.8基于误差抵消思想改进三体船模型阻力性能预报的尝试

7.8.1一种基于实用目的的改进方法的提出

7.8.2基于误差抵消思想改进方法的尝试

7.8.3基于误差抵消思想改进方法的验证

7.9本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢