fluent算例-船舶航行

CFD计算基础课程

homework fluent

目录

一、问题描述 (2)

二、建立模型 (3)

2.1创建船体附近流域 (3)

2.2确定边界条件， (5)

三、用fluent进行求解计算 (5)

3.1导入并检查网格 (5)

3.2设置求解器参数 (6)

3.3设置流体属性，选定空气和水 (7)

3.4设置基本项和第一相 (7)

3.5设置操作环境 (7)

3.6设置边界条件 (7)

3.7设置求解方法 (8)

3.8流场初始化 (8)

3.9定义初始空气区域 (9)

3.10查看船体的初始湿面积 (9)

3.11设置残差监视器以及升、阻力监视器 (9)

3.12求解计算 (9)

3.13升力报告 (11)

3.14计算成果图 (11)

四、第一次调整水线 (13)

五、根据水线调整进行第二次建模 (14)

六、对二次模型进行计算求解 (14)

6.1升力报告 (14)

6.2计算成果图 (14)

6.3计算结果分析 (16)

七、第二次调整水线 (16)

八、根据水线调整进行第三次建模 (17)

九、对三次模型进行求解计算 (17)

一、问题描述

一艘假想船，设船体高H=2m，船底长L=10m，船艏与水平线夹角α=45º；船头装有

a=1m的压浪板，压浪板和水线的夹角为β=30º。见图1.1。若船体单位宽度上重为G=mg=17.5*103*9.81kg并以速度V=18km/h=5m/s均速行驶在平静的河水里，试研究此船舶的行驶过程和行驶阻力。

见图1.1

分析

（1）这应该是一个三维流动问题，为简化计算，采用二维模型。即假设船体无限宽，忽略船体侧面对流动的影响。

（2）这是一个紊流流动问题，由于船体结构较复杂，必然引起紊流流动。（3）这是一个气、液两相流问题，船体上部为空气，下部为水。船舶在航行过程中必然引起水与空气之间的相互作用，并产生波浪。

（4）在仿真计算过程中，气液交界面的变化是一个逐渐趋于稳定状态的过程，故应该采用非稳定的计算方法。

（5）在船舶行驶过程中会对船体产生动升力，必然会引起船体的上下运动，并且影响船体的行驶阻力。

（6）船舶行驶过程中，在铅直方向有水的静浮力F f和动升力F d，由力的平衡可得，二者之和应等于船舶质量G。假设静浮力F f为船舶质量的60%，即

F f=λG,λ=0.6，由于浮力等于船舶排开水的质量，故有

λG=ρg(Lℎ+1

2

ℎ2)

h=√L2+2λG

ρg

−L=√102+

2×0.6×17500×9.81

998.2×9.81

−10=1.0m

得到初始水线为h=1.0m。假设船舶行驶过程中的静浮力不变，若计算得到船体动升力为F d=(1−λ)G=0.4G，则船舶处于平衡状态，计算结束。

（7）流动区域的设置。见图1.2

a)设水线下水深为L，水下边界为固壁。

b)水线上面流域为2L高，初始为空气。

c)船舶前面流域沿流动方向长为3L。

d)船舶后部流域沿流动方向距离为5L。

e)船舶附近设置一个较小区域，便于对船体附近网格加密，以及改变水

线后的建模。

图1.2

二、建立模型

2.1创建船体附近流域

导入关键点，连接各点创建线，将船体和压浪板向下移动1.0m(初始水线为1.0m)，

根据线创建面，创建网格，先创建线网格点分布，之后用map创建面网格，创建外围流域点、线、面及网格，网格创建方式类似于内部流域，但为了减少计算量，外围流域按一定比例逐渐变稀，在网格划分过程中我们共尝试采取三种网格布置，第一种网格布置（见图2.1）网格划分过密，计算量过大，计算耗时过长；第二种网格布置（见图2.2）网格划分过稀，计算结果难以收敛；综合各方面因素，最终采取第三种网格布置（见图2.3），既能保证计算精度，又相对耗时较短。

图2.1

图2.2

图2.3

2.2确定边界条件，

见图2.4

图2.4

Gambit导出mesh文件命名为ship2d1.msh。退出并保存session。

三、用fluent进行求解计算

3.1导入并检查网格

见图3.1

图3.1

3.2设置求解器参数

见图3.2、3.3

选择VOF两相流计算模型，选择k-epsilon紊流模型。

图3.2 图3.3

3.3设置流体属性，选定空气和水

见图3.4

图3.4

3.4设置基本项和第一相

基本相是水（water），第一相是空气（air），见图3.5

图3.5

3.5设置操作环境

重力加速度9.81m/s2，方向向下，操作环境密度1.225kg/m3，见图3.6

图3.6

3.6设置边界条件

将空气入流（inlet-air）和水入流（inlet-water）的入流速度（velocity-inlet）均设为5m/s，以及流域底部（bottom）的边界条件设为移动墙（moving wall），速度为5m/s。

3.7设置求解方法

见图3.7

图3.7 3.8流场初始化

见图3.8

图3.8

3.9定义初始空气区域

见图3.9

图3.9

3.10查看船体的初始湿面积

见图3.10

图3.10

软件默认船体宽为1，所以初始时刻船体的湿面积计算方法：

A0=(L+ℎ+√2ℎ)×1=(10+1+√2×1)×1=12.414

3.11设置残差监视器以及升、阻力监视器

3.12求解计算

首先进行500个时间间隔的迭代计算，每个时间间隔为0.001秒，共0.5秒的时间，设置每个时间间隔最多迭代50次。因为不确定求解至收敛所需时间，