M船型阻力數(shù)值模擬

,克強(qiáng)

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063)

M船型為最近幾年出現(xiàn)的一種新船型。M船型主要由三部分構(gòu)成——中體、升力涵道以及剛性圍壁。“中體”是船體的主干部分，它采用了深吃水尖削型船艏和淺吃水平直艉部線形，提供絕大部分的排水浮力。“升力涵道”位于中體兩側(cè)，作用是為M船提供水浮力和氣流升力。“剛性圍壁”用于遮擋住中體產(chǎn)生的艏波,并將艏波能量導(dǎo)入涵道,使得舷內(nèi)壓力梯度趨于均勻。舷外則采用平直面,以使舷外壓力梯度差最小,并能減少船行波[1]。

文中應(yīng)用商業(yè)軟件fluent對(duì)M船型進(jìn)行阻力的數(shù)值模擬，計(jì)算得到M船型的阻力并與試驗(yàn)進(jìn)行比較分析。

1 M船模型試驗(yàn)

M船因其船底帶有形似字母M的隧道而得名。圖1為其橫剖線圖。圖2為fluent軟件前處理器gambit中所建模型主視圖。

該船型的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 M船模型主要特征參數(shù)

本文中M船模型(木制模型)在試驗(yàn)水池進(jìn)行阻力試驗(yàn),部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖1 M船橫剖線

圖2 M船主視圖

表2 M船部分阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 M船數(shù)值模擬

2.1 湍流控制方程

求解RANS方程得到湍流要素的時(shí)均值為實(shí)際工程應(yīng)用中計(jì)算湍流的基本方法。在考慮平均密度的變化和忽略密度脈動(dòng)影響的情況下，不可壓湍流平均流動(dòng)的控制方程為[2]

(1)

(2)

(3)

式中：i和j的取值范圍是(1，2,3)。

2.2 自由面處理

文中涉及到自由液面的問(wèn)題，采用VOF模型來(lái)計(jì)算。其實(shí)質(zhì)是用網(wǎng)格單元被流體填充的比例函數(shù)F來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自由面的跟蹤[3]。

若在某時(shí)刻網(wǎng)格單元中F=1，則說(shuō)明該單元全部為水所占據(jù)，為流體單元。若F=0，則該單元全部為空氣所占據(jù)，相對(duì)于前相流體則稱(chēng)為空單元。當(dāng)0

2.3 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

M船型的幾何模型建立之后，船模的傾角與深沉根據(jù)試驗(yàn)記錄來(lái)確定。根據(jù)數(shù)值計(jì)算的相關(guān)要求來(lái)確定計(jì)算域的大小。通過(guò)對(duì)M船型進(jìn)行數(shù)值分析，同時(shí)考慮到該船模在實(shí)驗(yàn)水池中進(jìn)行的試驗(yàn)。文中將M船型的計(jì)算域設(shè)置見(jiàn)圖3。

考慮到模型的對(duì)稱(chēng)性，只取模型的一半進(jìn)行計(jì)算。因此，計(jì)算域也只有一半。M船型數(shù)值模擬計(jì)算域如下：計(jì)算域入口上部為空氣入口，下部為水流入口。入口位于M船模型艏部前2倍船長(zhǎng)處。計(jì)算域出口位于船艉后3倍船長(zhǎng)處。計(jì)算域的側(cè)邊界位于船寬方向1倍船長(zhǎng)處。域的頂部位于模型頂部0.5倍船長(zhǎng)處，底部位于模型底部下方0.5倍船長(zhǎng)處。采用混合網(wǎng)格來(lái)劃分計(jì)算域。船殼周?chē)?個(gè)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，另外5個(gè)為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖3 計(jì)算域示意

2.4 邊界條件

M船型計(jì)算域的邊界條件包括：空氣、水流壓力入口，壓力出口，對(duì)稱(chēng)面及壁面，具體邊界條件設(shè)置如下。

1)入口。設(shè)為壓力入口，速度等于來(lái)流速度。

2)出口。設(shè)為壓力出口。

其相應(yīng)各邊界類(lèi)型指定見(jiàn)圖3。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算速度V為2、4、5、6 m/s時(shí)的M船阻力。表3中阻力Rm為計(jì)算值的2倍，即整條船模數(shù)值計(jì)算的阻力。

表3 M船數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)據(jù)

由表3可見(jiàn)，在速度較低，F(xiàn)r▽<1情況下，船模處于排水狀態(tài)，fluent計(jì)算得到的阻力Rm與試驗(yàn)結(jié)果基本一致；當(dāng)速度較高，F(xiàn)r▽>1情況下，船模處于過(guò)渡狀態(tài)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)值大10%左右。在高速情況下數(shù)值計(jì)算存在偏差，分析原因可能與船模狀態(tài)，網(wǎng)格質(zhì)量有關(guān)。

4 流場(chǎng)信息

圖4為各速度下自由液面高度分布云圖。

圖4 自由液面高度分布云圖

本文采用的方法能很好地模擬船艉流。但對(duì)于高速狀態(tài)下，船兩側(cè)和隧道內(nèi)的噴濺波則很難模擬。各速度下的水深弗勞德數(shù)Frh、FT見(jiàn)表4。

表4 各速度下Frh，F(xiàn)T值

當(dāng)速度為2 m/s時(shí)，F(xiàn)rh<0.6，不存在淺水效應(yīng)影響。而當(dāng)Frh>0.6時(shí)，存在淺水效應(yīng)的影響。圖4c)、d)只存在散波系，此時(shí)速度增高，散波角變小。與實(shí)際船舶在淺水中航行的規(guī)律相同。

5 結(jié)論

1)在低速情況下，數(shù)值模擬阻力與試驗(yàn)阻力相差不大；而高速情況下，可能是由于淺水效應(yīng)的影響而導(dǎo)致計(jì)算稍有偏差。應(yīng)加大船底計(jì)算域。

2)所用數(shù)值計(jì)算方法能夠較好地模擬M船在自由液面下的阻力，對(duì)自由液面的模擬較準(zhǔn)確。

3)文中方法可用于排水型船帶自由面的計(jì)算，尤其是在研究興波阻力，球鼻艏等方面；計(jì)算高速時(shí)的阻力與船模的試驗(yàn)狀態(tài)有關(guān)，可用動(dòng)網(wǎng)格來(lái)解決此問(wèn)題。

[1] 陸 超.海中狐蝠——M船家族詳解[J].現(xiàn)代艦船,2006(08)：22-25.

[2] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3] 孫 榮，吳曉光.帶自由面船體擾流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].中國(guó)艦船研究，2008(02)：1-3.

[4] 郭建紅.帶自由表面非恒定流動(dòng)的數(shù)值模擬研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2000.