单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟

第31卷第6期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 V o.l 31 .62010年6月Journal o fH arbin Eng i n eer i n g Un i v ersity J un.2010do:i 10.3969/.j issn .1006-7043.2010.06.001单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟黄德波,张雨新,邓 锐,李 佳(哈尔滨工程大学多体船技术国防重点学科实验室,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:为了检验CFD 在船舶粘性流场计算中的有效性,基于RANSE 方法,对单体船型DTM B 5415和三体船FA1粘性流场进行了数值模拟.自由面处理采用VOF 方法,湍流模型选用SS T k 模型,计算结果与试验数据进行了比较,在傅汝德数不是很高时吻合较好.计算结果表明,CFD 可以用来研究复杂船型流动问题,对于阻力、伴流等重要的水动力参数,CFD 能够给出与试验相一致的结果;同时VOF 方法可以比较好地捕捉船舶自由面波形,对于三体船,计算结果能够清晰地反映出主体和侧体之间强烈的兴波干扰现象,可以为船型优化提供重要的参考.关键词:计算流体力学;体积函数法;三体船;自由面;阻力中图分类号:U 661.3 文献标识码:A 文章编号:1006 7043(2010)06 0683 06Nu m erical si m ul ation of viscous flo w around high speed monohulland tri m aran shi psHUANG D e bo ,Z HANG Yu x in ,DENG Ru,i LI Jia(M u lti hu ll Ship T echnology ,K ey L aboratory of Funda m enta l Sc ience for N ati ona l D e fence ,H arb i n Eng i neer i ng U n i versity ,H arbi n 150001,Ch i na)Abst ract :To verify the effective ness of co mputational fluid dyna m ics (CFD)f o r m arine viscous flo w proble m s ,sm i u la ti o ns of viscous flo w fiel d s around a m onohull of the type DTMB 5415and a trm i aran o f type F A1were conducted .These w ere based on Reyno l d s averagedN avier Stokes equati o ns (RANSE)m et h ods i n conj u ncti o n w ith a shear stress tra nsport (SST)k turbu le nce m ode.l The free surface w as capt u red by the vo l u me of fl u id (VOF)m ethod .The ca lc u l a ted re sults agreed reasonably w ell w it h experm i e ntal data when t h e Fr oude nu m ber w as not too high .This research wor k sho w ed that CFD can be used to i n vestigate flo w around co mplex sh i p for m s li k e trm i ara n .W hen doi n g so ,so m e m i por tant aspects of hydrodyna m ic perfor m ances beca m e lar gely predictable ,suc h as resistance and wake ,and the VOF m eth od could capture the w aves around the shi p .The nu m erical resu lts reflected the i n terference bet w ee n the m ain hull a nd si d e hulls of the trm i aran .Th i s m ay prov i d e m i portant reference i n for m ati o n for the optm i izati o n of sh i p s .K eywords :CFD;VOF ;tri m aran ;free surface ;resistance 收稿日期:2009 03 31.基金项目:国防基础科研基金资助项目(A2420061100 06).作者简介:黄德波(1943 ),男,教授,博士生导师,E m ai :l debo_huang@hot m ai.l co m.通信作者:黄德波.船舶水动力学的一个显著特点就是存在自由液面,由于自由面的形状和位置是未知的,需要由求解过程给出,因此数值求解带自由面船舶流动问题变得十分困难,在船舶CFD 中,对自由面的计算常用有两大类方法:势流理论和RANSE 方法.势流理论基于流体无粘、无旋假定,在边界上分布面源,通过求解积分方程来确定源强,从而获得流场,由于粘性影响主要作用在船体附近的边界层内,因此势流理论能给出较为精确的远场波形和船体艏部流动,但对于粘性主导的船体近壁面流动和船体尾部流动,势流方法难以给出满意的结果[1],尤其是一些重要的流场特征,如边界层的分离、伴流等值线等.自CFD W S Tokyo [2]起,人们开始在粘性计算中考虑自由面的影响,早期在RANSE 计算中对自由面的处理通常是采用移动网格法,这种方法是基于拉格朗日的观点来描述自由面,它将自由面考虑为坐标曲面,计算时不断更新网格以跟踪自由面,这种方法只需对水建立控制域,能够在自由面处精确满足边界条件,可以比较准确地捕捉自由面附近的流动特征,在船舶领域应用较广[3 5].但移动网格法需要在每个时间步内更新网格,计算量较大,在处理复杂自由面问题时难以保证网格质量,虽然有一些改进方法,但对于破碎和重叠的自由界面,移动网格法仍然显得无能为力.另一种广泛采用的捕捉自由液面的方法是固定网格法,这种方法不需要在计算时改变网格,同时对水和空气建立控制域,通过求解附加的方程来捕捉自由面,比较常用的固定网格法如VOF (vo lu m e of fl u i d )[6]、Level set [7],固定网格法在处理复杂的自由面流动问题具有很大优势,近年来,逐渐受到人们的欢迎,常被用来模拟复杂船型绕流场[8 9]、研究破波[10]、船体运动[11]等问题.本文将基于VOF 方法对两艘不同船型绕流场进行数值模拟,通过与试验数据进行对比,验证CFD 的可靠性.1 数值方法本文采用商用软件FLUENT 作为求解器,该求解器基于有限体积法,能够处理各种复杂流动问题.计算过程采用非定常方法来求解定常问题,时间项积分使用一阶隐式格式,压力耦合方程的求解使用著名的S I M PLE 方法,扩散项离散采用中心差分格式,对流项使用QU I C K 格式离散,计算过程采用代数多重网格法加快收敛.1.1 自由面处理自由面捕捉采用VOF 法,该方法首先在固定网格下定义一个函数a (x ,t),如果设计算区域是 ,流体A 所在的区域记为 1,而流体B 所在的区域记为 2.则(x ,t)=1,0, x 1;x 2.(1)对于2种不相溶的流体组成的流场,a(x ,t)满足:a t +u a x +v a y +w az=0.(2)式中:V =(u,v ,w )流体的速度场.在每个网格C ijk 上做积分,并定义VOF 函数!ijk如下:!ijk =1∀V ijk!Cijka (x ,t)d v.(3)于是,函数!满足:!t +u ! x +v ! y +w ! z=0.(4)显然,!为网格单元内目标流体所占有的体积分数,并且!=0,单元中不含有流体A;!=1,单元中充满流体A;0<!<1,单元中存在交界面.在数值计算过程中,每个网格对应一个!值,只要求出!值就可通过多种方法构造出自由面的形状.1.2 湍流模型研究表明湍流模型是影响船舶粘性数值模拟的一个重要因素[12],目前尚无一种湍流模型适合于所有流动问题,考虑各项异性的Reyno l d s 应力模型(RS M )包含更多的物理机理,可以较好的预测出船尾伴流,常被认为是更有潜力的湍流模型[13],但有时Reyno lds 应力模型并未能给出优于两方程湍流模型的计算结果[13].k #模型应用较广,对于许多流动可以给出较好的结果,但对于带有强逆压梯度的复杂流动,k 模型似乎更合适.本文采用M enter [14]提出的SST k 模型,该模型结合了k 原型和k #模型的优点,能够较好地模拟存在流动分离和强逆压梯度的复杂流动问题.2 绕单体船型流场模拟2.1 DT M B 5415模型DTMB 5415是美国泰勒水池在1980年的一艘战舰的初步设计,船艏带有声呐罩、方艉,船体视图如图1.图1 DTM B 5415侧视图F i g .1 Hu ll f o r m of DTM B 5415主要船型参数如表1,数值计算是在模型试验测得的升沉和纵倾下进行的,试验模型和数值计算模型均为裸船体,不计附体和螺旋桨.表1 DT M B 5415船模主要参数及计算条件T ab l e 1 Pr i nc i p le d i m en sion s and test cond ition s ofDTM B 5415参数参数值缩尺比24.832垂线间长L /m 5.72吃水T /m 0.248湿表面积S DWL /m 24.861方形系数CB 0.5060傅汝德数F r 0.28雷诺数R e 1.26∀107艏垂线处升沉-0.0028L 尾垂线处升沉-0.0009L#684#哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第31卷2.2 计算网格计算网格采用O H 型多块结构化网格,即纵向为H 型网格,横向为O 型网格,网格在船体附近分布较密,船体表面y ﹢约为60,为了更好地捕捉自由面波形,网格在静水面附近进行了加密,计算网格如图2、图3.计算区域为:纵向从船艏向上游延伸1L,从船尾向下游延伸2L;侧面向外延伸1.5L;垂直方向自静水面向下延伸1L,向上延伸0.148L.由于船型较为复杂,计算网格数取为1.02∀106.图2 DTM B 5415计算域网格F i g .2 N u m er i ca l g ri d for DTM B5415图3 船体艏部和对称面网格F i g .3 G r i d of bo w and symm etry2.3 边界条件入口:指定来流速度V =2.097m /s ,湍流特性取为常数;对称面:采用对称边界条件;出口:出口处指定压力分布为静压;船体表面:不可滑移壁面;其他边界面为滑移壁面.2.4 计算结果及分析阻力计算结果及试验结果如表2,从结果看,CFD 能够比较好地预报船体阻力,但与试验数据相比仍然存在一定的偏差,总阻力系数计算值低于试验值5.44%(相对于I NSEAN)、6.32%(相对于DT MB),这可能是由于DTMB 5415模型在该F r 数时摩擦阻力占主要成分,壁面函数法对于捕捉近壁面粘性流动略显粗糙,如果采用两层模式可能会更好地求解边界层流动,提高阻力预报精度.表2 DT M B 5415阻力计算结果与试验结果Table 2 Pred icted and m easured total resistance coefficien t 阻力系数计算值试验值INSEAN 试验值DTM B C T0.0040.004230.00427图4给出了自由面波高等值线,其中(a)为本文计算结果,(b)为I NSEAN 水池的试验结果[2],经过比较可以看出,数值计算得到的波形整体上与试验结果比较相似,表明VOF 方法能够很好地捕捉到船体兴波特性,但是细节上仍然存在一些差别,从图4(a)可以看出流场中远场波形衰减的比较快,这主要是由于远场网格比较稀疏,由此带来的数值耗散加速了波形的衰减.图5给出了船体表面波形,与试验结果[15]相比,吻合地比较好,但数值计算得到的首波峰低于试验值,其首波谷也偏低,在船体中后部数值结果与试验结果比较接近.图6为桨盘面处伴流分布的计算和试验结果,由于纵向涡的存在,轴向速度等值线呈现出了一个明显的凸起,从结果看,数值模拟能够比较准确地捕捉到伴流的基本特性,这对螺旋桨的设计具有重要意义.(a)本文计算结果(b)试验结果[2]图4 自由面波高等值线F ig .4 W ave contours #685#第6期 黄德波,等:单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟图5 船体表面波形数值与试验结果[15]F i g .5 P red icted w ave profiles a l ong sh i phull(a)本文计算结果(b)试验结果[2]图6 桨盘面处轴向速度等值线F i g.6 A x ial ve l oc ity distr i bution at prope ller plane3 绕三体船模流场数值模拟3.1 几何模型计算模型为FA1三体船模,FA1三体船是由哈尔滨工程大学黄德波教授优化设计的一个三体船型,实船船长为125m,缩尺比为50,模型的主要参数如表3.侧体与主体在尾端对齐,在模型尺度下横向偏移为0.400m,纵向偏移为0.900m,计算模型如图7.表3 FA1三体船模型主要参数T ab le 3 Pr i nc i p le d i m en sion s of tr i m aran m ode l几何参数主体侧体总长/m 2.5000.700水线长/m 2.3750.700船宽/m 0.26000.0297吃水/m0.10630.0600湿表面积/m 20.59570.0717排水体积/m 30.0166470.000665图7 FA 1船模三维视图F i g .7 M ode l o f FA13.2 计算网格网格划分是在商用软件I CE M CFD 中完成的,网格采用分块结构化网格,计算域为一个近似1/4椭圆柱,纵向从船艏向前延伸1L,船尾向后延伸2L,横向从中纵剖面向两侧各延伸1.5L,静水面向下延伸1L,向上延伸0.096L .由于流域对称,计算域只取整个流域的一半.网格拓扑关系采用O H 型网格,横向为O 型网格,纵向为H 型网格,计算网格如图8,网格数为703063.图8 FA 1计算网格F ig .8 Nume rical gr i d for FA 13.3 阻力计算结果图9为FA1阻力计算结果与试验结果,试验是在哈尔滨工程大学船模试验水池中进行.#686#哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第31卷图9 Fr -阻力曲线图(FA 1)F i g .9 Curves of Fr R esistance (FA 1)从结果看,FA1阻力计算结果大体上能够与试验数据相一致,在低速时偏差较小,随着F r 数的增加,偏差逐渐增大,这可能有两个主要原因:一是高速时船体浮态发生变化,存在一定程度的升沉和纵倾,这会对阻力计算造成影响,另外,高速时船体表面边界层较薄,应适当地改变壁面处网格的厚度,以使y ﹢保持在适当的范围内,本文在计算时使用的是同一套网格,虽然计算结果显示y ﹢均保持在120以内,但高速时适当加密壁面处的网格是否有利于阻力计算尤其是摩擦阻力的计算还是值得进一步研究.从整体上看,数值模拟基本可以反映出三体船阻力特性.3.4自由面波形(a)Fr =0.343(b)Fr =0.404(c)Fr =0.485(d)F r =0.606(e)Fr =0.748图10 FA 1不同F r 数时自由面波高等值线F i g .10 W ave contou rs of FA 1a t different F r nu mber图10给出了FA1不同速度时自由表面波形的计算结果,从图中可以看到,三体船主体和侧体兴起的波浪相互叠加在一起,自由面波形变得较为复杂.在低F r 数时,主体兴起的首波峰和波谷比较靠前,侧体处于主体次波峰中,此时并未产生有利兴波干扰(如图10(a)),侧体艏部及主体与侧体之间波面较高.随着F r 数增加,主体首波峰和波谷逐渐后移,侧体进入主体兴起的波谷区,此时侧体兴起的波峰与主体产生的波谷相互叠加,产生有利兴波干扰(如图10(c)).整体上看,数值计算结果能够反映出三体船兴波特性,可以预报船体兴波的形状及波峰、波谷的位置,这为合理地布置三体船侧体位置提供重要的参考.#687#第6期 黄德波,等:单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟4 结束语本文对一艘单体军船模型和一艘三体船型绕流场进行了数值模拟,从计算结果看,CFD可以用来研究复杂船型流动问题,对于阻力预报,在中低速时,CFD可以给出比较精确的计算结果,在高Fr数时三体船的阻力预报误差较大,阻力计算值偏低,在后续研究中,有必要对影响三体船粘性流场数值模拟的一些因素进行细致的分析,如船体浮态,一些研究表明在高速时这会对阻力产生很大影响,网格收敛性验证和湍流模型的分析也将是很有意义的.此外船艏破波、喷溅等现象还有待进一步研究,相信随着CFD技术的进步,船舶阻力预报会更加精确.从自由面波形计算结果看,基于固定网格的VOF方法能够很好地捕捉船舶自由面兴波,即使对于复杂的三体船兴波,VOF能够清晰地反映出片体之间强烈的兴波干扰现象,这对优化三体船布局、改善三体船水动力性能具有重要意义.参考文献:[1]CAR M PAPA E.Current sta t us of CFD i n I TTC1:R esistancepropulsion[C]//25th ITTC.Fukuoka,Japan,2008.[2]LARSS ON L,STERN F,BERTRAM V.Bench m ark i ng o fcomputati onal fluid dyna m ics f o r sh i p flo w s:the G o t henburg 2000works hop[J].Journa l of Ship R esearch,2003,47(1):63 81.[3]W I LSON R V,PATER S ON E G,STERN F.U nsteadyRANS CFD m ethod fo r nav al co m ba tants i n waves[C]// 22nd ONR N ava l H ydrodynam ics Sym posiu m.W ashi ng t onD C,1998.[4]B URG O E C,S REEN I VA S K,HYAM S K G,M I TCHELLB.Unstruc t ured nonli nea r free surface si m u l a ti ons for t hefully appended DTM B mode l5415se ries hull i nc l ud i ng ro ta ti ng propulso rs[C]//24t h Symposi um on N av al H ydrody na m i cs.Fukuoka,Japan,2002.[5]C HANG H X,L I U Y Z,M IAO G P.N u m er i ca l si m ulati ono f t hree di m ensiona l v iscous flo w w ith free surface about a shi p[J].Journa l o f Sh i p M echan ics,2003,7(3):33 39.[6]H IRT C W,N I CHO LS B D.V o l u m e of fl u i d(VO F)m ethod for the dyna m ics o f free boundary[J].Journa l o fCom puta ti ona l Physics,1981,39(1):201 225.[7]OS H ER S,SETH I AN J A.F ronts propagati ng w it h curvature dependent speed:a l gor it hm s based on H am ilton Jacob i fo r mu l a tions[J].Journa l o f Com putati ona l Physics,1988, 79(1):12 49.[8]C H EN Y J,CHAU S W,KOUH J S.A pp licati on o f t wophase fl u i d approach f o r free sur f ace sh i p fl ow s i m u l a tion [J].Journa l of t he Ch i nese Instit ute o f Eng i neers,2002, 25(2):179 188.[9]M A S C I O A D,BROG L I A R,MU SCAR I R.O n t he appli cation o f the si ng le phase level set m ethod to nava l hydrody na m i c flows[J].Com puters&F l u i ds,2007,36(5):868 886.[10]STERN F,HUANG J,CARR I CA P,YANG J,GHO S HS,VAN S.Tw o phase CFD and P I V EFD f o r plung ing break i ng w aves,i ncl uding a lterna tive CFD approaches and ex tensions for air/w ater ship fl ow[C]//26th Symposi u m on N ava lH ydrodyna m ics.R om e,Ita ly,2006.[11]CARR I CA P M,W I LSON R V,NOA CK R W,STERN F.Ship m otions usi ng s i ng le phase level set w ith dyna m ic o ve rset g rids[J].Co m puters&F l u i ds,2007,36(9):1415 1433.[12]DENG G B,QUEUTEY P,V ISONN EAU M.N av i e rStokes com putations o f ship stern flows:a deta iled co m para ti ve study of turbulence m odels and discretiza tionsche m es[C]//6th Internati ona lConference on N u m erica l Sh i p H ydrodyna m ics.Iow a C ity,Am erica,1993.[13]DENG G,V IS ONNEAU M.Evalua tion o f eddy v iscosityand second mom ent t urbu l ence c l o s ures for steady fl ow s around sh i ps[C]//21st Sym posiu m on N av al H ydrody nam ics.T rondhei m,N or w ay,1997.[14]M E NT ER F R.Tw o equati on eddy v iscosity t urbu l encem ode ls f o r eng i neering app licati ons[J].A IAA Journa,l1994,32(8):1598 1605.[15]OL IVER I A,P ISTAN I F,AVAN ZIN I A,STERN F.T ow ing tank exper i m ents of resistance,s i nkage and tr i m,boundary layer,eake,and g ree du rface g l ow sround a N a va l Combatant I N SE AN2340M ode l[R].Iova:II H R T echn i ca lR epo rt,2001.[责任编辑:王亚秋]#688#哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第31卷。