强迫运动柱体附加质量与阻尼系数的CFD计算

摘要

船舶在波浪中运动,会产生六自由度的摇荡,通常采用势流理论方法对其进行预报。对于纵向运动,船体所受粘性作用较小,用势流理论计算的值一般能够满足工程上的应用需求。但是,对于横摇,尤其是加入了附体之后,船体受力往往伴随着较多的粘性成分,流场中还会产生流动分离和漩涡泄出等现象,用势流理论不能很好地解决。要准确预报船舶在波浪中的横摇运动,最困难的是横摇阻尼系数的确定。
　　目前,得到阻尼系数最有效的方法还是物理试验。但是,试验的成本高,在前期准备工作繁琐,测试结果会受到仪器设备和人员测量误差的影响,同时还存在尺度比等问题。随着计算机技术的发展,基于CFD的数值模拟方法正逐渐成为一种趋势,为解决横摇等复杂问题提供了一种新的实现手段。
　　本文基于CFD的RANS方法,计入粘性和自由面的影响,模拟了船舶剖面柱体的单自由度摇荡运动,通过监测船体的受力,得到了横荡、垂荡、横摇及其各方向耦合的附加质量与阻尼系数。对数值计算来说,网格的质量对计算结果影响巨大,为了研究在该运动形式下的适应性网格,本文采用了两种不同的网格划分和动网格更新方式,并对计算结果进行了比较,得出在已知船体运动形式的前提下,整体计算域更新的网格要优于局部重划的网格,前者在稳定性和计算机时方面,都有较大的优势。对于横摇,采用加装舭龙骨的剖面进行计算,求解了大幅度的横摇阻尼,得出了阻尼随龙骨尺寸的变化规律,细致描述了加装舭龙骨前后,流场中的速度分布和漩涡的运动特征。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 国内外相关研究进展

1.2.1 理论研究方面

1.2.2 试验方法

1.2.3 基于商业软件平台下的研究

1.3 主要工作

1.4 创新点

第2章 粘性流理论及数值模拟方法

2.1 控制方程

2.1.1 N-S方程

2.1.2 RANS方程

2.2 湍流模型方程

2.2.1 标准k-ε模型

2.2.2 RNG k-ε模型

2.2.3 realizable k-ε模型

2.3 壁面函数和近壁模型

2.4 数值计算方法

2.4.1 离散方法

2.4.2 离散格式

2.4.3 离散方程组的求解方法

2.4.4 亚松弛方法

2.5 基于fluent软件的解决方案

2.5.1 自由面的处理

2.5.2 网格划分技术

2.5.3 动网格技术

2.5.4 UDF模块

2.6 本章小结

第3章 强迫横摇的数值模拟

3.1 模型的选取

3.2 网格划分和求解设置

3.3 计算模型验证

3.4 数值模拟结果

3.4.1 随横摇幅值的变化

3.4.2 随周期的变化

3.4.3 压力成分与粘性成分

3.4.4 不同剖面的比较

3.5 本章小结

第4章 船型柱体的附加质量与阻尼系数的计算

4.1 计算原理

4.2 流体动力作用的求解

4.3 计算模型的验证

4.4 大幅度的摇荡运动

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目