带自由面船体周围粘性流场数值模拟

摘 要 ： 利用 Ｆ Ｕ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ流体软件 ， 通过求解三维粘性不可压 Ｒ Ｓ方程 和使用标 准 ｋｓ湍流模 型对带 自由液面船 ＡＮ ． 体进 行了周围粘性流场 的数值模拟 。 自由液面采用 Ｖ Ｆ方法处理 ， 出 了不 同弗 劳德数下 船体 的粘性 阻力 系 Ｏ 得 数， 并与 Ｉｒ １５ Ｔ Ｃ ９７给出的平板摩擦 阻力系数计算公式 以及 巴普 米尔粘 压阻力 系数公式 丽者所 求 的粘性 阻力 系 数相 比较 ， 验证 了本文方法 的可行性 ， 为船舶阻 力预报 提供 了更为精 确的流体 分析方 案。 同时 ， 利用 Ｖ Ｆ方法 Ｏ
可以很好 的捕捉 自由液面波形 ， 反应 了船体的兴波现象 ， 为船 体优 化设 计提供重要的参考 。
关键 词 ：Ｌ Ｅ Ｔ 数值模拟 ； ＦＵ Ｎ ； 粘性流场 ； 自由液面
中图分类号 ：６１１ Ｕ ６ ． 文献标识码 ： Ａ
０ 引言
船 舶设 计 中 ， 体 的 阻 力预 报 精 度具 有 极 其 重 船 要 的作用 ， 设 计 性 能 良好 的 船 舶 具 有 重 要 意 义 。 对 船舶 是一 个 复杂 结构 体 ， 海上 航 行 时受 到 船 体 周 在 围粘 性 流场作 用 和波 浪对船 体 的兴 波作 用 。在这 种 流 固耦合 系 统 中可看作 是非 线性 不 可压 缩流体 的作 用 ， 符 合 连 续 性 方 程 和 Ｎ ｖ ｒ ｔｋｓ（ ．） 程 并 ａｉ ． ｏｅ ＮＳ 方 ｅＳ 式 。 由于这种 复 杂作 用 ， 考虑 带 自由液 面 船 体周 围
第２ ９卷
计算 模型通 过 转 换 文件 格 式 ， 人 ＩＥ Ｆ 导 Ｃ Ｍ Ｃ Ｄ并 对 其进 行修 改 ， 用 ６面 体结 构 网格 划 分 。在 船 体周 采 围及 自由液面需 要 进 行 网格 加 密 ， 以很 好 捕 捉 自 可
由液 面波 形 和流动 细节 。对 于壁 面附 近 网格 的汇 聚 程度 ， 阻力计 算 值 的准 确程 度 有 重 要 影 响 。离 壁 对
是 由浮力 产 生 的 湍 流 动 能 ；
由于 在 可 压 缩 湍 流
中， 过渡 的扩散 产 生 的 波 动 ； 、 Ｃ Ｃ 为 常 Ｃ 、 ，均 量（ 对于 速度 方 向和 重 力 相 同 的层 流 Ｃ ＝１ 对 于 。 ， 垂直 重 力 速度 方 向的 浮力 应力 层 则 Ｃ ＝０ ； 和 ） 是 ｋ方 程 和 ｓ方 程 的 湍流 Ｐａｄｌ ， 和 Ｊ ｒｎ ｔ数 Ｓ ｓ 是
式 以及 巴普 米 尔粘压 阻力 系数 公 式两者 所 求 的粘 性
流体控 制 区域 为 一 长 方体 ， 区域 大 小 根据 实 际 计 算 决定 。若 区域太 大 ， 则计 算 网格 数量 庞大 ， 增加 了不 必要 的计 算 量 。若 区域 太 小 ， 不 能 满足 计 算 则 精 度 。 因此 综合 以上 考 虑 ， 计算 区域 为 纵 向从 船 艏
粘性 流场 情况 下 的预 报 ， 在水 动 力 研 究 中仍 是一 个 难 题 。很 长一 段 时 间 内 ， 性 流 场 绕 流 和 自由液 面 粘
１ 计 算 模 型
１ １ 物 理模 型 ．
本 文采 用 的 三 维 船 体 模 型 是 根 据 文 献 ［ 的 ２］ ＷＩＥ Ｙ船 模 ， 过 三 维 建 模 软 件 Ｕ ＧＬ 通 Ｇ生 成 的 船 体 曲面模 型 ， 换 文 件 格 式 导 人 ＩＥ Ｃ Ｄ进 行 网 格 转 Ｃ Ｍ．Ｆ 划 分 。船 体 建模 的主要 参数 见 表 １ 。其 中湿 水 面 积
为 ＦＵ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ求得 。船 体外 壳示 意 图如图 １所示 。
表 １ 模 型船体 主 尺度
船长／ ｍ
１ ０
船宽／ ｍ
１
吃水／ ｍ
Ｏ． ５
湿水面积／ ｍ
１ ４ ２． ３
兴 波 阻力 的计 算是 分 开 考 虑 的 ， 即用 势 流 理论 方 法 处 理 自由面 ， 外通 过 求 解 Ｒ Ｎ 另 Ａ Ｓ方 程来 计 算 船 体 的粘性 边 界层 … ， 种 分 离方 法 忽 略 了 自由面对 粘 这 性 的影 响。近 年来 由于高速计 算 机 的迅速 发展 和普 及 ， 上数 值方 法 的进 步 ， 于计 算流 体力 学理 论 的 加 基 数 值模 拟成 为研 究 复杂 湍流 的必 要手 段 。 本 文采 用 Ｖ Ｆ方 法 ， ＷＩＥ Ｙ船在 不 同弗 劳 Ｏ 对 ＧＬ 德 数情 况下 周 围粘 性 流 场 绕 流 问题 进 行 数 值 模 拟 。 通 过 与 ＩＴ １５ Ｔ Ｃ ９ ７给 出 的平板 摩 擦 阻力 系数 计 算 公
理技术研究 。
向前部 １ 倍船长， 船艉 向后 ３倍船长。横 向上 向两 边分别延伸 ５ 倍半宽 。垂向上 自自由液面向上延伸 １ 倍吃水 ， 向下延伸 ５ 倍吃水。
１ ２ 网格 划分 ．
网格划 分采 用 ＩＥ Ｆ Ｃ Ｍ Ｃ Ｄ。将 Ｕ Ｇ生 成 的三 维
６
江 苏 船 舶
阻 力 系数相 比较 ， 证 了此方 法 的可靠 性 ， 验 为解决 带
自由液面船体粘性绕流预报提供了有效 的方法。
收 稿 日期 ：０ １—１ —１ ２１ １ ８
基金项 目： 福建省 自然科学基金项 目（０ ９０ ００ ２ ０ Ｊ１ １ ） 作者简介 ： 于刚 （９ ２ ， ， １８ 一） 男 硕士研究生 ， 主要从事 流固耦合 、 船体 振动方面的研究 ； 蔡振雄 （ ９ ２一） 男 ， １５ ， 教授 ， 主要从事 现代 轮机管
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第Ｓ Ｓ Ｐ Ｉ Ｕ ＨＩ
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２１ ０２年 ０ ４月
带 自 由面 船 体 周 围粘 性 流 场 数 值 模 拟
于 刚 ， 建 闽 ， 振 雄 刘 蔡
（ 集美 大学 轮机工程学院 ， 福建 厦 门 ３ １２ ） ６ ０ １