赛艇粘性流场的数值模拟

摘要

赛艇运动是现代奥运会的一个大项，其比赛成绩的好坏，不仅与运动员的体能、运动技术有关，还与赛艇器材的水动力性能密切相关。为了提高赛艇比赛成绩，世界上赛艇强国一方面应用现代高科技训练运动员，以最大限度地提高其体能和运动技术，另一方面应用现代计算流体力学方法研究赛艇器材的水动力性能，用理论与数值方法优化艇型。每次大赛欧美强国都有新器材出现，种类多，更新快；而我国还没有自行设计的适合我国运动员特点的赛艇，参加国际大赛的赛艇基本上向国外购买或租用，因此中国队常与金牌失之交臂。从近几年国际大赛的情况来看，我国的体能训练已经达到世界一流水平，造成失利的主要因素是器材，器材的水动力性能直接影响比赛的成绩。为了在大赛中获得好成绩，赛艇的水动力性能研究成为赛艇运动的当务之急。 传统船舶设计研究需要进行大量的模型试验，耗费大量的人力、财力，周期长。过去几十年来对船舶水动力数值方法的不断探索和研究，计算机硬件、网格技术和数据库的显著发展，船舶计算流体力学(船舶CFD)方法在计算能力和实用化方面都发生了深刻的变化，分析船舶及其附体的性能和流动细节的CFD软件的功能也越来越强，基本上能达到工程应用要求。将舰船CFD技术运用于赛艇这种特殊的船型，国外研究的较多，也取得了不少可喜的成果，但少见公开文献报道。目前我国还少见使用现代流体力学方法来研究赛艇的性能。 本文利用计算流体力学商用软件FLLIENT对-Wigley数学船型进行了粘性绕流数值模拟，分析了网格划分方法、各种离散格式、常用的边界条件、近壁面处理方法。选取雷诺时均方程(RANS)为控制方程，采用多块结构网格，分离式求解器隐式方案，近壁面选用近壁模型，微分方程的离散使用有限体积法，对流项采用二阶迎风格式离散，扩散项使用中心差分格式，速度压力耦合方程采用SIMPLEC算法，在不改变其他条件下，探求了不同湍流模式对数值结果的影响。结果表明Realizable k-ε模型得到的结果最为接近试验结果，这为下一步模拟单人赛艇时湍流模式的选取提供了经验。 在上述工作的基础上，本文还采用FLUENT软件对某单人赛艇进行了粘性绕流数值模拟，得到了艇的表面压力分布、粘性阻力及粘性阻力系数，与试验结果吻合得好：同时还得到了形状因子(1+k)，与他人根据试验结果得到的回归公式计算结果很接近。从而，采用商用FLLYENT软件可以很好的预报赛艇的粘性阻力、流场速度分布等性能特征，可以获得比经验公式结果更为详细的流场信息，从而为赛艇设计提供依据。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1赛艇运动项目介绍

1.2国内外赛艇水动力研究现状

1.3本论文的主要工作

第2章基本理论与数值方法

2.1引言

2.2基本方程

2.2.1质量守恒方程

2.2.2动量守恒方程

2.2.3雷诺方程

2.3数值方法

2.3.1网格划分

2.3.2方程离散

2.3.3求解算法

2.3.4湍流模型

2.4边界条件

2.4.1流动进口边界条件

2.4.2流动出口边界条件

2.4.3对称面边界条件

2.4.4壁面边界条件

2.5湍流流动的近壁处理

2.5.1近壁区流动特点

2.5.2壁面函数法

2.5.3近壁面模型

2.6本章小结

第3章FLUENT软件简介

3.1引言

3.2 GAMBIT简介

3.3 FLUENT软件简介

3.3.1 FLUENT软件概述

3.3.2 FLUENT软件在船舶工程中的应用

3.4本章小结

第4章 WIGLEY船型的粘性绕流计算

4.1引言

4.2船型描述

4.3网格生成及边界条件

4.4计算结果及分析

4.5本章小结

第5章单人赛艇的粘性绕流计算

5.1引言

5.2计算模型及网格划分

5.3边界条件和求解器

5.4计算结果及分析

5.5赛艇尺度优化

5.6本章小结

第6章结论与展望

6.1全文总结

6.2 CFD在赛艇性能研究中的应用前景

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文和参加科研情况