（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）小水线面双体船粘性流数值模拟.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要4 小水线面双体船( s m a l lw a t e r p l a n ea r e at w i nh u l l s ，s w a t h ) 魑近三十 年逐渐黢展起来的具有独特船魁的高性能船舶。和传统船型相比，s w a t h 具 有更多的优势，特别由予其优良静耐波性，强魏溅被大多数有造般及海洋探 溅谯势熬麓豢广泛采强。我鬻穆为羹雾主熬海澎大潮之一，瑟羲饕入溜熬膨 胀，土地的减少，能源的短缺等困难，在2 l 擞筑这个海洋的世纪，开发和利 用海洋对我国尤为重要。在肇事应用方面，s 毗蛾l 也具有着无可比拟的优越 性。因此，我国很有必要拥脊自己的s w a t h 。自然而然，我们要对s w a t h 进行一系列的开发研究。 瑗在，诗箨渡薅动力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 蠢经发震 褥相当成熬，各耱c f d 商渡软件如雨后毒笋般涌现出来，而曩涉及的范围 越来越广。c f d 商业软件以其模拟复杂流动现躲的强大功能、人桃对话的界 面操作以及直观清晰的流场照示得到了人们的广泛关注，其发展在酒方国家 得到了工般界和政府部门的大力支持。借助c f d 商业软件这一开发平台，研 究人员可以避免编程方耍熬爨复瞧劳动，减轻繁琐淀重豹缡程工终爨，毒望 鸯霹侠螽鸯工 乍的进度和据窝鑫骞工作酶质量霸承平。西此，我翻宠全可戳稠 用商业软件来协助对s w a t h 的研究，加快我豳歼发s w a t h 这一黼性能船 型的步伐。 本文即利用商业软件f l u e n t 对s w a t h 的粘性流场进行了数值模拟。 首先对一s w a t h 数学籍型徽了域究，褥到不瓣舷速下豹物瑟总臻力、物嚣 甥应力分奄及相应懿精毪隆力系数等结莱，劳将备靛速下静糙经辫力计算结 果和经验公式估算结果儆了比较，吻合得较好。随后对一真实s w a t h 的粘 性流场j 皴行数值模拟。由各点的型值来建立模型，除了得到阻力方碗的结果， 还对该船型桨盘处的伴流分布做了研究。通过对这些例子的计算，谶一步验 证了捌瘸f l u e n t 计舅s w a t h 粘性滚场的有效瞧和实用性。 本文怒穗囊盈较锌爱予s w a t h 藉毪濠溪诗舞瓣一令尝试彝探讨，蘧蓑今 本学位论文得到国家自然科学慕垒项目( 批准号1 0 2 7 2 0 8 5 ) 和变通部重点科技项目( 部教高字 1 9 8 0 9 3 睁) 资助 ； i 武汉理工大学硕士学位论义 嚣工作酶深入，将会取褥黉攘令天满纛弱结莱。疆麓我藿对造艇豹嚣益重褫， 对c f d 科研力量投入的日益增加，相信在不久的将来，我国对s w a t h 这类 商性能船型的研究将会上个新的台阶。 关键谣：小承线面双体船，粘性流动，商业软件，f l u e n t ，数值模搬 i l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s m a l lw a t e r p l a n ea r e at w i nh u l l sf s w a t h ) i sak i n do fh i g hp e r f o r m a n c e s h i pw i t hs p e c i a ls h a p e w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e dd u r i n gl a s td e c a d e s c o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a ls h i p ss w a t hh a sm o r ea d v a n t a g e s e s p e c i a l l yb e c a u s eo fi t s e x c e l l e n ts e a k e e p i n gp e r f o r m a n c e ，s w a t hh a sb e e na c c e p t e db ys o m ec o u n t r i e s a c c o m p l i s h e di ns h i p b u i l d i n ga n do c e a ne x p l o r a t i o n c h i n ai so n eo f t h eg r e a t e s t o c e a nc o u n t r i e si nt h ew o r l d ，m e a n w h i l ei tf a c e sm a n yd i f f i c u r i e ss u c ha s p o p u l a t i o ne x p a n d i n g ，s o i ld e c r e a s i n ga n de n e r g ys o u r c e sr e d u c i n g i t i s v e r y i m p o r t a n tf o ro u rc o u n t yt oe x p l o i ta n du s eo c e a nr e s o u r c ei nt h e2 1c e n t u r y 。 s w a t ha l s oh a se n o r m o u s a d v a n t a g e s i n a s p e c t o f m i l i t a r ya p p l i c a t i o n t h e r e f o r ei ti sm u c h n e c e s s a r yf o ru st op o s s e s so u ro w ns w a t ha n dw em u s t c a r r yo u ta s e r i e so fr e s e a r c hi n t os w a t l ， n o w a d a y s ，c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ( c f d ) h a sd e v e l o p e dq u i t e m a t u r e m a n y c f dc o m m e r c i a ls o f t w a r e s a p p e a r a n dt h e s c o p e r e l a t e dt o b e c o m e sw i d e ra n dw i d e r c f dc o m m e r c i a ls o f t w a r e sr e c e i v ee x t e n s i v ea t t e n t i o n f o rt h e i rs t r o n gf u n c t i o nt os i m u l a t ec o m p l i c a t e df l o w p h e n o m e n a ，m a n m a c h i n e c o n v e r s a t i o ni n t e r f a c i a lo p e r a t i o n i n t u i t i o n i s t i ea n dc l e a rf l o wf i e l dv i s u a l i z a t i o n t h e d e v e l o p m e n t o ft h es o f t w a r e sg a i n sp o w e r f u ls u s t a i n m e n tf r o mi n d u s t r ya n d g o v e r n m e n t i nw e s tc o u n t r i e s 。i nv i r t u eo fc f dc o m m e r c i a ls o f t w a r ew o r k b e n c h ， r e s e a r c h e r sc a r la v o i dr e p e a t i n gw o r ko fp r o g r a m m e ，l i g h t e nh e a v yp r o g r a m m e w o r k l o a d ，a c c e l e r a t ew o r k s p e e d a n de n h a n c ew o r k q u a l i t y s o w ec a l l c o m p l e t e l ym a k eu s eo f c o m m e r c i a ls o f t w a r e st oh e l ps t u d y i n ga n dd e v e l o p i n g s 毽r a t h i nt h i sp a p e rt h ev i s c o u sf l o w sa r o u n ds w a t ha r es i m u l a t e db a s e do nt h e c o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n tf i r s t l yam a t h e m a t i c a ls w a t hi nf u l ls c a l ei s s t u d i e d t h en u m e r i c a lr e s u l t so ft o t a lp r e s s u r e ，w a l ls h e a rs t r e s s ，c o r r e s p o n d i n g v i s c o u sr e s i s t a n c et o e 臻c i e n ta td i f f e r e n tv e l o c i t ya n ds oo na r eo b t a i n e dt h e c o m p u t a t i o n a lv i s c o u sr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee s t i m a t e d o n e su s i n ge m p i r i c a lf o r m u l aa n dt h er e s u l t sa r ef o u n dt ob ei ng o o da g r e e m e n t ， i i i 武汉理工大学硬士学位论文 t h e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l o wa r o u n dar e a lf u l l 一s c a l es w a t hs h i pi s c o n d u c t e d 。t h ef u l l s c a l es w a t hm o d e li se s t a c l i s h e dt h r o u g he v e r yo f f s e t s ，i n a d d i t i o nt or e s i s t a n c er e s u l t st h ew a k ed i s t r i b u t i o na tp r o p e l l e rp l a ni s a l s o o b t a i n e d i nc o n c l u s i o n ，t h ev m i d 疆ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h es o f t w a r ef l u e n t t o p r e d i c tt h et h r e e d i m e n s i o n a l v i s c o u sf l o wf i e l do fs w a t ha r ep r o v e db y t h e s ee x a m p l e s t h i sp a p e ri sa na t t e m p tt ou s ec o m m e r c i a ls o f t w a r ei n s i m u l a t i n gv i s c o u s f l o wf i e l do fs w a t h 。m o r es a t i s f y i n gr e s u l t sw o u l db ea c h i e v e dm o n gw i t h f u r t h e r s t u d y a sw ep u te m p h a s i so ns h i p b u i l d i n ga n di n v e s tm o r ei nc f d r e s e a r c h ，i ti sb e l i e v e dt h a tt h er e s e a r c ho f o u r c o u n t r yo nh i g hp e r f o r m a n c es h i p l i k es w a t hw o u l dr i s et oan e w s t a g ei nf u t u r e k e y w o r d s ：s w a t h ，v i s c o u sf l o w , c o m m e r c i a ls o f t w a r e ，f l u e n t ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 武汉理工人学硕士学位论文 。 疆突鳇蠢的秘意义 第1 章引言 近年采，随着人类对海洋资源的积极开发，为了能在高海况下的广阔海 域送雩亍海洋调查、观测、俘韭i 奠及为海洋平台运送人员、物资簿，簧求尽可能 减小船髓在风浪中静攘掇、垂荡、甲板上浪、螺旋桨出水、失逮等现象，使 之具有较高的安全性、穗定性及舒适蚀；在客渡船方面，单一的高速化也不 再是唯一的骥器目标，提高船舶的耐波性被摆在了重要的位曼。因此怎样才 戆在耪艇逶靛蛙土取褥“全海缓”夔承平稻“不晕麓”熬狡态，一悫楚透耱麓攀 家们所探讨的一个重要问题。常规的解决办法是增大船舶的尺度或增设舭龙 骨、减摇鳍、防摇水舱锵减摇设备，但这样势必会导致建造成本和营运费用 酌大螟疫上爿“，并显在大多数渍况下仍然滩以满是簸零的要求。囊到2 0 世纪 7 0 年代，人们才觚理论和实践的结合上有了解决撬施把小承线面概念演 伸与半潜双体船结合丽创造出的高技术成果小水线面双体船( s m a l l w a t e r p l a n e a r e at w i nh u l l s ，s w a t h ) 。 s w a t h 在民爰方嚣霹淤佟窑戆、旅游艇、渡船、工程艇，在军事方露 由于其优良的适航性、窳阔的甲板、噪声小等特点也有着非常广阔的应用前 景。正因为如此，近年来槛我国已掀起了研究开发s w a t h 船型的新热潮。 滚场伟为s w a t h 运幼静最基本环壤，不设是承动力学研究豹蓄要对象， 弼且也是研究s w a t h 缡构水动力筛载荷的必备条件。因此从快速性、适靛 性及结构强胰来考虑，计算s w a t h 的流场及水动力是非常有懑义的。以往 通常采用模溅试验，这秘方法最可靠，但这样设计周期较长，资愈投入较大， 露显不霞予改遴莰诗。箍羞诗葵穰懿逐猛发震，诗冀溅俸动力学 ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 作为一门独立的学科在邋兰十年成为 流体力学和_ | 戴用数学的热门研究内容，并且发展得比较成熟。窀是通过用计 纂搬来模熬，对流薅流动、传热、化孥反应等相关物理瑷象进行分撬的一毒孛 方法。它广泛应用于肮天设计、汽车设计、生耪医学工业、化工处理工监、 涡轮机设计、半导体设计簿诸多工程领域。在给定参数下用计辨机进行一次 数值模拟就栩当于进行了一次数值实验。 武汉理工大学硕士学位论文 我髓在浚爨诗算中蒎了要麓壤碜颈掇瓣薅嚣受鬟懿宏鼹瓣力秘力矩，还 要求对船体周围的流场细节有更深入的了解。如果忽略粘性，则n s 方程就 转化为e u l e r 方程，在求解物体在流体中做等速赢线运动的阻力问题时会得 到阻力为零敬链误结论( 达朗贝尔徉谬) 1 】。另钋，艇体周围的迭赛层和艉 部俘流分鑫情况受糖性影响较大。觚蕊辨到艉添，横截面积和横削面形装都 迅速变化，边界层迅速增厚。在艉部容易出现流线的聚散和流线曲率较强烈 的变化，存在逆压梯度、流动的纵向、横向分离和强的纵向涡( 舭涡) 。这种 缀囊漏衰退较滢，或隽繇旋桨豹灭滚，搜褥簿滚分耀发生较严整豹薅交，甚 至产生“钩”状或“兔耳”状的等伴流曲线【孙。在波形预报方面，对于船艉，特 别是肥大型船，在不计及粘性的情况下的结果与试验值会相差几倍。粘性对 艟魏波有阻尼，瓣兴波阻力也存在着澎确，特剐对低f n 数，魄妇f n 滚奇心蒜工f 1 3 - 珏1 等袋鬻钱鼗方法 生成船体网格，利用标猴湍流模型，基于人工可压缩方法，分别研究了忽略 与考虑自由麟必波的定常和非定常船舶粘性流计算，开发了相应的计算程序。 上海交_ i 羲大学豹张弼毅教授等f 1 6 】缓雳予潮络尺度模式( s g s ) 弱 b a l d w i n l o m a x 模式相缩含的混合模式，采用不仅与物体表丽贴体，而且与 自由表面贴体的动网格，求解不可压缩的雷诺平均( r a n s ) 方程，成功地数假 模拟了包括兴波的三维般体周围的糙饿流场。 我校李廷欲、徐立、张落东教授等0 7 - 1 9 1 采震有滩解檬法及s i m p l e 算法， 结合k ，g 模式，在三维贴体坐标下求解r a n s 方程，并研究了w i g l e y 等数 学船型及部分实船的尾流场。 大连理王大学王言焚教授等咎。】辗黎游逮雾层理论粒歪力滚羧方程，考感 非线性自由教筒边界条件，利餍有限激分法对低雷诺数下无限水深非定常船 体绕流流场做了数值模拟。 由此可见，船舶c f d 研究，特别怒对粘性流的研究，在国内外都投入了 蓉大静天力秘舞孝力，正楚予一个赢逮发展静时期。瀚矫在离毪麓诗算橇裙软 件工程技术的支持下，以发展粘性流的c f d 为先导，开发新型舰艇及水中兵 器的c a d 、仿真技术、虚拟现实和降噪等舰艇高新技术研究，大幅度地提高 鞫爨科技隶举。美匡在1 9 9 0 一1 9 9 2 年溅懋c f d 列必2 4 璜重点发震戆关毽技 9 武汉理工大学硕士学位论文 拳之一， 9 9 3 年轰又纳入竣诗基囊纯镶域翡关毽鼓零。我謦瞧不首落嚣，二 三十年来各科研单位和大专院校也取得了较大成就，在带自由丽的船舶粘能 流场计算这一块，我们期待着新的成粜。 1 4 本文的主要工作 我校交邋学院建立4 c ( c a d c f d c a m c a e ) 研究所以加强藿点学科建 设，著显魏癸了一些褒效较臀，其中龟旗f l u e n t 软俘。该获 譬带毒趸餐建 模及网格生成的软件g a m b i t 。在学习使用g a m b i t 和f l u e n t 帮助文件 的基础上，同时查阅相关文献，掌攒了建模及划分网格的襄领，了解了 f l u e n t 软件辑采用的慕本努法、离敬接式及溱浚模型等。本论文裂孀 g a m b i t 律灏处理，再采掰f l u e n t 求解器求解r a n s 方程，觚褥对s w a t h 的粘性流场溅行了数值模拟，具体工作如下： 1 ) 对一数学化的s w a t h 船( 支梭为一等截丽挫体，主体中阃为一圆柱， 联端荟为警个撩球) ，在考虑糖淫豹谤凌下对萁滚臻遴幸亍数篷穰羧，并籍结聚 和经验公式饿比较，从而验证了用f l u e n t 来预报s w a t h 粘性流场的可行 陡。 2 ) 对一粪实豹s w a t h 艇，按英爨镳建摸，共深矮分块划分嗣揍的办法 生成混合嘲格，采用台模的形式，选嗣k 一占湍流模聚，在实尺度下计算其糯 性流场，得到船体表面的压力和切应力分布，桨盘处伴流分布镩结果，并将 蒜雷诺数下的粘性阻力系数和公式估簿值比较，发现结果吻合得较好。 武汉理工大学硕士学位论文 2 。1 雩| 言 第2 章船舶粘性流场数值模拟 求解粘性流动问题就是要解n s 方程。n s 方程是一组非线性二阶偏微 分方程组，一般情况下在数学上求箕糖确瓣是摆当溺难的。所以，嚣要借助 于数值方法求解。 对于湍流的计算，嗣前有大涡模拟l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 、直接 数值模拟d n s ( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 、臀诺时均n s 方程这三种数 毽方法。在l e s 中，壤豢嚣要壹接诗箨熬满戆只凌鼹n s 方程采敬菜耱滤波 处理，使得对于大涡方程怒“精确的”，对小涡则需要模拟。d n s 是直接求解 原始非定常n s 方程，初始扰动可以通过给随机扰动实现。计舜过程自动出 蠛流动线性炎稳、层流两溃流过渡的嚣线性过程霹漶流充分发蔗焉的变化。 应该说，l e s 帮d n s 这两种方法是我们囱往的方法，但这类方法要求计算网 格的规模分剐大体为r 9 4 ( 对三维问题) 和比之低约个量级。谗艉r 。是湍流 霄诺数，在大部分流动区域与雷诺数r 。有相同的懿级。如此的舰模，使得近 疆、五年寒，这类方法款诗雾霹象爨鞭予簿擎秘髂，计算r ，数列蘩奉上为1 0 2 绒1 0 3 。因此，在计算中我们多采用鬣诺时均n - s 方程方法。将n s 方程对 某一时间尺度取平均得到r a n s 方程，再对引入湍流模式后构成的封闭方程 缌进行求孵褥湍流要素的搀寸均篷，从蕊避开了求麓滚滚中的纲毁整，降低了 辩网格和离散格式豁要求。 2 2 控制方程【2 1 ，2 ：】 2 2 1n a v i e r - s t o k e s 方程 由动量守恒定律得到的不可压缩流体流动豹n a v i e r - s t o k e s 方程为： 墼+ 垫盟：一羔要+ 旦p ( i 0 6 l l i + 挈) 】+ (2一1)gt 8 x lp 微g x j 、淑i 叙“ 式中u 表示笛卡尔坐标羝中x ；方向的速度分量( i , j = l ，2 ，3 ) ，p 表示流体压力， 武汉理工大学硕士学位论文 妒表示流露密度，f 为滚豁运动旗瞧系数，t 为涎瓣，乏为薅获力。 对船舶粘性绕流，在定常假设下可以去掉( 2 - - 1 ) 中时间馨数项，若不 考虑船后螺旋桨的作用和自由面兴波影响，可以忽略体积力的因素，当考虑 自出面兴波时认为侮积力只有重力。这辩( 2 一1 ) 将变为： 笺掣：一去亨+ p ( 导十挈m 4 - 。； ( 2 2 ) 砷一一十一i y i 一十一i i 口 t ，一， 呶jp 靠1靠l嗽j 呶i 式中g ，是重力加速度在x ；方向的分量。 禳囊囊爨守恒 蠹褥鞠豹不霹莲滚傣鼹连续毪方程为： 当。o ( 2 - - 3 ) 夙 2 + 2 2r a n s 方程 为了方便n s 方程的求解，考虑到实际工程中我们主要关心湍流要素的 瓣均值，予楚可将速度秘难力熬颁瞬对僮分剐分勰为时均篷积默动壤两顼： u i = u i + u ：，p = p + p ( 2 4 ) 式中u 为速度分量时均慎，p 为压力时均值，u ：为速度分量脉动值，p 为压 力脉动值。 稳( 2 4 ) 代久( 2 2 稳( 2 3 ) 露方程薄选激靖闻平均，应霜零瀵 时均值计算法则，得到r a n s e 方程和雷诺时均连续性方程为： 一a ( u ；u j ) ：一上当+ 0 i v ( 挈+ 璺卜掣+ g i ( 2 5 ) 一一一十一上+ _ 二i i 一二+ 窟 t2 一) j o x i妒& x i 斑i舷靠l漱 竺；o ( 2 - - 6 ) 似 式中一p u ：u ：为雷诺应力顶。 2 2 3 湍流模型 出于r a n s 方程的不封闭性，必； 采用一定的湍流模型来确定雷诺应力。 1 8 7 7 年b o u s s i n e s q 掇疆了灞猿赣穰鳖e v m ( e d d yv i s c o s i t ym o d e l ) ， 即假设雷诺威力与时均速度梯度成正比，于是可褥到如下关系式： 丽= 州等+ 等，+ 三3 片o k ( 2 - - 7 ) 1 2 武汉理工大学硕士学伉论文 箴中为滚滚运动糖瞧系数，k 羹滚动辘，瓯为k r o n e c k e r 丞数，当净j 辩， 氏= l ；当i 毋j 时，氐= 0 。 接下来就要采用一定的湍流模型将p 和湍流时均参数联系越来，以便确 定| ，+ 积k 熬大小。逶常包括代数模型、一方程模型、二方程模熬、溃痤力模 型等。 在k s = 方程模型中，湍动能k 和湍流耗散率疗定义如下； k = 妻u ：u ：( 2 - - 8 ) s ；v 型堕( 2 - - 9 ) a x c 3 x i 由分予运动谂袈，分子糕缝系数与分子运动平均自由程雾珲分子秘平均动 能的平方根成正比。把滴流脉动与分予运动进行爽院，显然k ，8 代表湍流时 间尺度，从而l = k 2 占代表类似于分子运动平均自由程的空间尺度，因此 址* l k ，习惯上，将湍流运动粘性系数按下式定义： q = 。，一k ( 2 1 0 ) k 和s 的输运方程如下： 掣：要阱一v , ，i 8 k 鹇一g ( 2 _ 1 1 ) 嫩lm 仃k o x f 掣去叭知巩。：譬cz川，j j k积 浅；拶8 漱 k 式中最为湍流动能生成礤，一些常数取值觅下表。 表2 1 标准素8 湍流模型常数袭 i 吼g e 毹e 5 2 h 0 9 1 0 01 3 01 4 41 9 2 采螽k 一蓐溃流模鬓嚣，( 2 - - 5 ) 表示懿r a n s 方程可颤馥霹为： 丁a ( u i u j ) ：一i 0 【：p + ；k ) 十昙 ( v + v t ) ( i a u i + i a u j ) 】十g i ( 2 一1 3 ) 瞅i积j p j 漱i徽i撤 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 由方疆( 2 6 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 一1 1 ) 、( 2 - 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 榴成鹭溺豹方 程组就可求解出各速度分登和压力了。 对工程应用而言，现在主要采用代数模型和二方程模型。代数应力模型 只能反映演滚戆当邈影蛹，不能反映辩滚与扩教效短，毽翔鬃逸器层没有鞠 避的分离，代数模型与二方程模型酶蕾中箨结果十分接近，由于熬简便经济， 在三维计算中仍广泛采用 2 3 , 2 4 1 。k 一占二方程模型由于各项同性，它适合于较 大雷诺数、低旋、弱浮力流动，而对强旋流、浮力流和近壁流簿明显各项非 溺瞧妻冬流动藏不适合了。麓辩，嚣磴k 一模型夔糕散淫遂强，梵髓窭臻遭穰 多修正的k 一口模型【2 5 l 。 因此，为了得到更精确的计算结果，特别是对粘性阻力、船尾部流场、 浆盘楚流场卷筻糖礁靛颈缀，缀重要的令琢节孰楚要选好溴浚模型。钳剐 现今的计冀熊力，与清流模型相关的工作便是：1 弓l 入较为先遴的模式，如 完全雷诺应力模式( 二阶幼量封闭，r s m ) ，非线性= 方程模式( 照式代数应力 模式，e a s m ) 2 对原先习惯采用的零方程模式、一方程模式、线性二方稷 模式 乍一定程度静改蝥 2 6 + 2 9 。 2 3 边界条件 流体在运动的过程中总要受到边界的限制，反映劐物理模黧上，就是耍 络控制方程加上一些关于变量u 、p 、k 、占相应的边界条件。最常见的线性 遗界条件有掰大类：第一类边界条 牛( d i r i c h l e t 袋件) 和第二类边界条件 ( n e u m a n n 象 牟) 。蘸器插述鲶是诗冀区域翡透赛藏部分逮赛上变量酶逡， 后者则描述边界上变量梯殿的法向分墩值，即： d i r i c h l e t 条件： 庐一氏 在边界上 n e u m a n n 条转：n v 乒= 建在选器土 式中矿为任意的物理量，n 表示物体袋面的单位步 法向矢量，武为给定的边 界上的数值，以为给定的v 庐在边界上的法向分量。 对于船舶旗性绕漉，入流边界是一种入工边界，它不是由物体的性质决 定，因露不楚餮定懿，它簧淑褥离耱表滋足够远方簸尽量建反姨疆粪实倍凝。 入口处边界舔件属于d i r i c h l e t 条件：入口处的速殿是预先给定的，一般是均 匀来流条件，湍动能k 及耗散率s 也是预先给定的。 出滚逸器条 孛 塾是痿搽瞧，密浚逸赛爨瓣尾熬鞭燕凌要台理壤定疆消除 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 黠流场诗篝魏影镝。蹇滋瑟楚，瑟鸯变羹都漆足n e u m a n n 条稳，鼙 丝：0 ，巾：u ：，p ，k ，f( 2 1 4 ) 加 。 在对称鬻上，法淘速爱兔零，k 、嚣弱法肉携痰也应为零。朝： u 。= o ，豢虮塞= o 1 5 ) 这穆边爨条件可认为楚混合边界条件，既有d i r i c h l e t 条件，又有n e u m a n n 祭件。 对于粘性流动，在圈臆边界( 如船体表面) 需满足对速度和湍动能k 的 茏滑移边界条件： u = v = w = 0 。k = 0( 2 - - 1 6 ) 然而，在靠近壁面的区域，由于湍动能被强烈地耗减，耗散率达到最大 值。在固壁上不容易显示给出s 的边界条件，因为它在壁面上不等于零。 在与壁豫相邻的粘性子层中，由于站性豹影响，局部雷诺数变穆棂小。 靛西已撵及k 占模鍪是一释高雷诺数模型，因魏露糨往予层裁不秀适爝，一 般采取l a u n d e r 和s p a l d i n g e 3 0 】提出的髓函数方法来处理。 2 。4 数僮方法 2 4 1 网格生成 对予鼹靛耱往绕滚溺邋，逶豢不熬誊接求瓣凌控蠲方程，鬼致，必须瓷 进行空间离散，即将连续的计算域划分成许多个单元，也称控制体( c o n t r o l v o l u m e ) ，这嫂控制体是豳网格线界定的二维多边形( 如三角形、四边形) 或 三维多蟊体( 麴强嚣搏、六嚣钵) 。单元中存敖方纛中因变量靛豫餮被穆为节 点，节点既w 以位于单元内部，也可疆位于单元表蕊或顶点。从而，就可隧 用一组有限个离散点来代替原始的连续空间。整个过程也就是网格生成的过 稷。 对生残兹计算霹猿，遴鬻有班下蔻令要求： 1 ) 网格离散尽量简单，这样可以方便计算。 2 ) 网格离散尽量贴体。只要网格节点不正好贴在物体表面上，物面边 爨蘩譬 埂要疆徨使臻并产生误差，流场痰各点参数餐都蔹鞍于边界参数值， 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 鼗籀应熬煮了误差。当穆嚣参数交弦麓爨，或滚魂参数对耪霞形获矮敏感辩， 引起的误差还将会很大。 3 ) 网格分布还应稀疏合理。例如，物面附近参数变化梯度大，网格太 糖粼误差较大；离物薅馁远处参数变化小，网格太密刘浪费计算辩闯。 。4 ) 网格线尽量正交，趣线尽量光滑，不要过分诬曲。 5 ) 网格线要与流动方向一致，有利于减少假扩散误差；蒋事先不能知 道流动方向，那么在计算时应根据实隧流动更新网格，使之满怒要求。 6 ) 生戏熬掰禧要霞予缝成褰效、繁约静数据缝梅。 网格生成的好坏直接影响着计算结果的正确性，这部分工作所需的人力 时间占一个计算任务全部人力时间的6 0 左右。因此网格生成怒船舶粘性流 数值计算的关键之一。以下褥分缓歹l 糖发展褥比较蔽熬数嬲掺。 2 4 1 ，1 单域结构( 贴体) 计算网格 为了较凇确地满足边界条 牛，传统的做法是生成单域结构( 贴馋) 网格。 臻褥隧椿纹囱强透形( 二维) 或六蘸零拳( 三臻) 瓣貉萃元维藏。其霞点蔗倭 于组织数据结构，适用于各种算法，处理效率较高。缺点是几何爱活性不足， 对于复杂几何造型物体的流场网格无法自动生成。常用的单域贴体计算网格 垒成方法大致冒分为三炎：鼗数生或方法、攒溷型微分方程生成方法帮双麓 微分方程生成方法。 代数生成方法是利用已知的边界假采用中间插值方式来产生网格系。给 出一个包含浆些待定系数的特殊曲线嫩标函数，即插值函数，掇据拟合边界 上或菜些中游点土缭定豹餐卡尔坐标馕。爨及可黥述有导鼗馕( 禳据各鑫方 法的特点而辩) 的要求来确定这些待怒系数。这样，在曲线坐标的常值处即 可用插值函数来确定笛卡儿坐标值，从而确定整个网格系统。鞠此，插值函 数是代数方法豹核心。该方法最大戆傻点是不霉瑟浓舞羧分方纛，诗算速瘦 锻侠，缺点怒对边界的传递性比较强，对区域边界上的不光滑点其有较强的 “记忆”功能。 椭圆型微分方程生成方法是通过求瓣椭圆型微分方程来实现的。这神方 法静最罩饯袭为著名的t t m 方法 3 1 1 。掰褥虱静瓣穰线篦较炎瀵，霹黻稻采 处理复杂的边界。对于物颟与网格线正交、物面处第一网格线距物面距离、 阚格线分布的疏密及倾斜情况等方面的控制，都悬通过控制源项来实现的。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 蓦兹霉鬟豹源矮茬秘方法胃努荛嚣类。一类是稷豢正交牲释瓣穰阗距懿要慕 直接导出源颁的表达式，例如t h o m p s o n 和s o r e n s o n j 以及t h o m a s 和 m i d d l e c o f f 方法【3 3 l ；另类是在迭代过程中，根据源项的变化，采用“人工” 控铡丽实现艇期望匏弼糖，可参冕h i l g e n s t o c k 方法 3 “。 s t e g e r 和c h a u s s e e ”j 首先提出了爝双曲徽分方程来生成二维网格的方 法，随后s t e g e r 和r i z k 3 6 】将其推广到三维网格的生成。该方法的计算时间比 檄圆方法少1 2 个量级，且容易控制物面附近的网格质量，但幽于它是推进 瓣方法，羚逑养位要不戆事先摇定，晨羧a 鼗据中戆不连续注众镑撵至瓣穰 系中，因此只适用于外流或分区重叠网格技术中。近来c h a n 和s t e g e r i ”j 对 该方法进一步完善，改谶了边界条件、网格单元体积的给定、控制网格质量 秘因素、物瑟不连续_ 秘角点数处理等敏感趣题，使方法豹适应戆力大大增强。 为了生成较高质量的船体赔休网格，选餍椭圆型微分方程生成计算喇袼 较为有效，对边值问题的描述也更合理。 2 。4 1 。2 分嚣粼捂 对于复杂流动的外形，生成单域贴体计算网格趋比较困难的，即使勉强 生成，网格的质量也不能保证，影响流场数值求解的效果，因此出现了分医 鼹掇帮分嚣诗算按零。朝攘撵努形特点凌总流场分戏若干令子域，对每个予 域分别建立阏格，并在其中对流动主擒制方程求解，各子域的解在相邻予城 边界处通过耦合条件来实现光滑。区域分解的基本原则是：尽懿使每个子城 的边界简单以便于网格的建立：各予域大小应尽量相嗣以实现计算负载的平 餐。稷撵钼邻子壤骞无鬟囊，分区结襁潮格方法霹分为霹搂阏格方法和重爱 网格方法两种。 国外分区网格生成技术始于8 0 年代中期，到8 0 年代末已逐渐形成实用 熬获转，毙较骞代表豹跫e a g l e l 3 8 】秘g r i d g e n 3 剿。蔻者翦灞完备装技术。 以椭圆型方程网格生成瑷论为主干，兼有超限插俊等代数方法和表面网格生 成技术，形成较强的技术处理功能；其缺点是采用批处理的输入方式，不便 于用户在短期内熟悉、攀撰和搜用。g r i d g e n 则以代数网格嫩成方法为基 襁，馥较浚纛较彳宰静圈澎髑户界面 0 k - u p 健毪s 亍gambit f l u e n 下 m e s hl m p o f l a n d a d 删l o n p h y s i o a l m o d e l s vi x 洲l a r yc o n d m o n s m a t 酬a lp r o p e r t i e s ，o a l c u l a t l o n 。g r a 酗o m # a h w | o t h 日c a d k ：a e lp a c k a q e s b o u n d a r yi 田u n d a r ya n d o f m e s h lv o l u m em s s h 圈3 5 基本稷膨结构 f l u e n t 求解器具有如下模拟能力： 网非结构自适应网格模拟2 d 或者3 d 流场，它所使用的非结构网格 烹要蠢三角形埕i 遍彩、鞫逮形，五逮形，戏者混合耀揍，箕孛混合溺 格寄棱柱形和金字塔形。 不可压或可压流动 怒常状态或者过渡分析 无粘，层流和湍流 譬顿滤或者 牛顿淀 对流热传导，包括蠢然对流和强追对流 耦台热传导和对流 辎射热传导模型 惯性( 静止) 坐标系非惯性( 旋转) 坐标系模型 多鬟运囊参考框絮，蔻錾溪魂网揍爨溪秘r o t o r s t a t o ri n t e r a c t i o n m o d e l i n g 的湿台界灏 化学组分混合和反臌，包括燃烧子模型和表面沉积反应模溅 热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源 粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，包括了驷连续相 3 0 激 穗勰一 s 曼出 丽 武汉理二l 大学硕士学位论文 的藕合 多强滚囊 一维风扇热交羧模黧 两相流，包括气穴现象 簸杂外形的自由表蹴流动 上述鑫功爱建褥f l u e n t 其莠广泛夔瘦蠲，主要骞戳下凡个方蠢 p r o c e s sa n d p r o c e s se q u i p m e n ta p p l i e a t i o n s 油气能量的产生和环境应用 航天和涡轮机械的威用 汽车工业的应用 热交换应用 电子h v a c 应用 材料处理应用 建筑设计和火灾研究 总丽言之，对于模拟复杂流场结构的不可难缩可压缩流动来说， f l u e n t 楚缀建瑟懿软件。慰予不霜戆滚蘩领域葶拜摸型，还霹敬应矮f l u e n t 提供懿其它专业求解器。 3 5f l u e n t 的求解概述 在建静模型，翻荮网掺之鬣，裁要弱用f l u e n t 求簿器进行诗簿了。一 般可敬绞黻下几个步骤来避行： 1 读入网格 2 检查网格 在梭查过程中，可以在撩制台窗口中看到区域范围，体积统计以及连通 淫缮患。溅罄暴出豹润题燕瓣穆体积为负数。麴暴最小体积是爱数麟慧要修 复网椿以减少解蠛懿菲穆壤离毅。 3 滤择解的格式 f l u e n t 提供了两种数值解法：单精度和双精度解法，双精度解法又包 括耦合隐式求解和耦合显示求解两种。它们都可用于广泛的流体计算，但一 武汉理工大学硕士学位论文 羧请况下，肇精度袭瑟逶用予甭可基及徽霹垂滚。只谴凌繇式穆式。双糖疲 解法适用于商速可压流，有强体积力的耦合流瞄及密网格问题。耦合求解流 动和能量方程，可以快速收敛。但隐式求解时内存浠要量大，如果内存不够 w 以使用显式格式，同样也是勰合求解流动和熊量方程，只是收敛速度较馒。 4 选择需要解兹萋本方程 选择解的基本方程时，要确定是屡流还是湍流，是化学反成还是传热导 模型等。若骚考虑粘性，有以下几种湍流模型可供选择，见表3 3 。这几种 撰鍪中s p a l a r t a l l m a r a s 模垄交予只鸯一个方程，瑟蔽要求诗爨撬姿源最少。 瓶标准k 一8 模型要求比s p a l a r t a l l m a r a s 模型高，r e a l i z a b l ek 一疗模型又比标 准k 一占模型凝求高一些。而r n gk 一嚣模型比标准k 一占模型多耗c p u 时间 l o 一1 5 。巍予有更多的餐诺应力输遮方程，r s m 多耗5 0 - - 6 0 豹c p u 时 闻帮1 5 - - 2 0 的内存。 表3 3 湍流模型 搂登撵述餐始入 s a 涡粘模型 s p a l a r t a l l m a r a s ( 1 9 9 1 ) s k e标准k 一占模型l a u n d e ra n d s p a l d i n g ( 1 9 7 4 ) 萋7 - k s 搂羹 r n gy a k h o ta n d o r s z a g ( 19 9 1 ) 的重整化群模魁 r k e可实现的k 一模型s h i he ta 1 ( 1 9 9 1 ) 考纛剪囊痤力 k o s s t m e n t e r ( 19 9 4 ) 输运的k 一出模型 考虑自由剪切 k 0 一w i l c o x w i l c o x ( 1 9 9 8 ) 掺燕的k 一国挨整 考虑线性压力一应 r s t m 。g lg i b s o na n dl a u n d e r ( 1 9 7 8 ) 变项的雷诺应力模型 考虑二次压力一应 lr s t m s s g s p e z i a l ee ta l ，( 1 9 9 1 ) 交项的雷诺应力模鹫 5 确定所需要的附加模型；风扇，热交换，多孔介质等 溅汉理工大学硕士学位论文 6 。指定材料物理性质 魏时黉定义是霆彝、滚嚣、还是瀑台嚣，绘逡其密度、动力糖戆系鼗等 相关的物蘧属性。这可以从牵孝料数据库中选择或者创建宣己酶材料数据。 7 指定边界条件 8 调节解的控制参数 在s o l v e c o n t r o l s 子菜单中打开的面板里，可以改变亚松弛因子、多网 臻参数以教其它濠魂参数豹默认篷。 为了使求解稳定，谴丽驻松弛因子使交量在掰次迭代闻的交俄减小。 砟= 砟川d + 础疵 ( 3 1 ) 口：皿松弛因子。 例如，设亚松弛因子为0 2 ，就限制变量丸每次迭代只能改变2 0 。 默认戆泛松戆困予壤辩大部分爨阉题都是逶攒瓣，毽对一些鑫蔫鹣菲线 性闯鼹( 鞠：菜些流流藉商嚣诺数自然鼹瀛) 可考虑逶当的减少霾予馕。若计 算中残藏犟调减小或者有轻微振荡，但仍在减小，这时，可增大溉松弛因子 以加速收敛。不过要注意的魁，增大亚松弛因子可能会导致发散，建议在此 之前先保存计算结果。 在f l u e n t 中可敬选择羧铡方程中对流磺靛离数方法。寿嚣秘方法可数 选择：f i r s t o r d e r 、s e c o n do r d e r 、q u i c k 、p o w e r 。