-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-操縱運動船舶的水動力計算研究李冬荔，楊亮，聶武摘要：以船舶操縱水動力預報為研究背景，通過對商用計算流體力學軟件FLUENT的二次開發(fā)，采用其動網(wǎng)格技術以及后處理系統(tǒng)，對大型船舶操縱水動力導數(shù)進行了數(shù)值計算.船體按照斜航、不同舵角、純橫蕩和純首搖等狀態(tài)做運動，得出隨船坐標系下作用于其上的水動力及力矩.通過進行基于最小二乘法的曲線擬合，最終求得船舶操縱水動力導數(shù).計算結果與勢流理論計算結果一致，表明了所提出的計算方法適用于復雜船舶運動的水動力導數(shù)計算.關鍵詞：船舶操縱；水動力導數(shù)；FLUENT；動網(wǎng)格中圖分類號：U661.33文獻標識碼：A文章編號：1000-6982(2009)02-0008-05ComputationalinvestigationofhydrodynamicforcesaroundmaneuveringshipLIDong-li,YANGLiang,NIEWu(StateKeyLaboratoryofAutonomousUnderwaterVehicle,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)Abstract:Inordertopredicttheshipmaneuverabilityinviscousflows,hydrodynamicderivativesrelatedtoshipmaneuveringwereanalyzedusingadynamicmeshmethodandpost-processingsystem,whichwasbasedonthecommercialsoftwareFLUENT.Shipmaneuveringmotionsofthedifferentheadingangles,rudderangles,swayingandyawingareconsidered.Hydrodynamicforcesandmomentsactingonamaneuveringshipareobtainedinthebody-fixedcoordinatesystem.Thushydrodynamicderivativesoftheshipmaneuveringmotionsarecalculatedbyleastsquarecurvefitting.Thecomputationalresultsareconfirmedbythedataofpotentialtheorymethod,whichshowthatthismethodcanbeusedtocalculatethehydrodynamicderivativesofshipcomplicatedmotions.Keywords:shipmaneuvering；hydrodynamicderivatives；FLUENT；dynamicmesh0引言操縱運動船體水動力的數(shù)值計算方法可分為兩大類，一是勢流方法，二是粘性流方法.其中，勢流方法對水動力預報精度能基本滿足工程要求，成為日趨成熟且實用的方法.而三維船舶粘性流的數(shù)值研究是從20世紀60年代后期才開始的.在1996年第21屆ITTC會議上1，求解船舶粘性流的RANS方法被認為已經(jīng)成熟.隨著現(xiàn)代船舶科技水平的不斷提高，對船舶水動力方面的研究也提出了更高要求.許多新技術，如網(wǎng)格生成技術、并行計算技術、多重網(wǎng)格加速等，被廣泛應用于復雜的流場計算中，形成了國際上船舶操縱水動力預報的熱門和前沿課題.本文通過FLEUNT的非定常動網(wǎng)格的方法，數(shù)值求解了船舶操縱水動力導數(shù).此方法可應用于一系列和船舶操縱問題相關的粘性流動與水動力計算，得到了令人滿意的結果.1船舶操縱運動水動力導數(shù)的數(shù)值計算模型在普通的長條形流場區(qū)域內，船體不前進，水以一定速度流向船體，船體就可以作各種規(guī)定的運動以及頻率很低的振蕩.測量船體所受的水動力，可求得計算船舶操縱運動所需的各種加速度導數(shù)和速度導數(shù).船舶操縱運動是低頻運動，要求接近于零頻率的水動收稿日期：2008-12-16；修回日期：2009-01-14基金項目：國家自然科學基金資助項目（50879014）9力導數(shù).船舶操縱水動力導數(shù)計算是根據(jù)船舶所做各種運動計算水動力，可以分為以下五種工況（各種運動情況如圖1所示，各運動參數(shù)都在隨船坐標系下獲得，計算公式見參考文獻2）.數(shù)值計算船體所受水動力需達到一個穩(wěn)定周期，此時方可將水動力（隨船坐標系下船體所受側向力Y與繞船中的力矩N）與運動狀態(tài)的函數(shù)關系進行非線性最小二乘法擬合，即可得到各個水動力導數(shù).此處穩(wěn)定的含義為：當船體周期運動到同一相位時，相鄰兩次受力大小相差甚微.圖1船體所做的各種運動2FLUENT的求解原理及應用應用FLUENT軟件研究船體操縱運動的非定常水動力性能是本文的主要工作，這項工作的核心方法是基于有限體積法對雷諾平均納維斯托克斯方程（RANS方程）及其補充、修正方程的離散的分區(qū)網(wǎng)格法.將該方法直接應用到基于VOF模型的PISO算法是數(shù)值計算的最主要內容3.2.1三維非結構網(wǎng)格中動網(wǎng)格技術的實現(xiàn)數(shù)值模擬船舶操縱運動中，所采用的動網(wǎng)格技術為彈簧近似法4.該方法是將非結構網(wǎng)格的整個區(qū)域看作一張具有彈性的網(wǎng)，每條邊都看作是一根獨立的具有倔強系數(shù)的彈簧，于是節(jié)點i，j間的彈簧張力為：ijijjiFKxx（1）式中，Kij為連結節(jié)點的位置矢量.認為移動后網(wǎng)格點的位置滿足各點在初始狀態(tài)的受力情況，即：ijijFS（2）式中，Si為初始狀態(tài)時點i所受的合力，對所有與節(jié)點i相連的節(jié)點進行求和.圖2為船體表面網(wǎng)格以及對整個流場取剖面后的網(wǎng)格結構示意圖，船體表面由型線圖畫出，其表面網(wǎng)格按外形布置疏密可有效保證運動物體邊界附近區(qū)域的網(wǎng)格質量.此外，為了有效減少三維動網(wǎng)格計算量，將整個流場沿船體中縱剖面（ZX平面）與標準吃水處的自由表面（YX平面）劃分為四個子區(qū)域，并且對接近船體的中縱剖面處和自由表面處進行了單獨的網(wǎng)格劃分與加密，從而有效控制整個區(qū)間網(wǎng)格的疏密程度，并能達到計算要求.圖2網(wǎng)格結構示意圖2.2邊界條件的設定計算區(qū)域內自由液面以下的入口、出口處采用給定速度分布；自由液面以上均為標準大氣壓，計算區(qū)域的側面以及底面均為不可穿透的固壁面，船體的運動規(guī)律由UDF程序給出.該處所采用的計算模式與控制參數(shù)主要是針對基于PISO算法的流場數(shù)值計算方法.考慮到非定常運動，采用一階隱式格式方法離散時間項，此外，考慮到自由液面的VOF處理方法，壓力項的離散格式采用將體積力加權的處理方法，體積分數(shù)的離散格式采用幾何重構的處理方法，湍流模式采用RNGk-模式，并對壁面處使用標準壁面函數(shù).在RNGk-模型中，通過在大尺度運動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響，使這些小尺度運動有系統(tǒng)地從控制方程中去除.3數(shù)值計算結果及分析3.1數(shù)值方法驗證為驗證文中計算方法的有效性，應用前面介紹的求解RANS方程的數(shù)值方法對6:1長橢球體在垂直平面內做定常斜航運動時的流場和水動力進行計算，計算網(wǎng)格結構圖如圖3所示.并將計算結果與Wetzel，和圖36:1長橢球體網(wǎng)格結構圖不同舵角斜航運動純橫蕩運動純艏搖運動組合運動舵角=0漂角x0y0yyyx0x0x0y0y0y0yyyyyyyyyyyyyxxyxxxxxxxyxxx漂角固定xyzxyz10Simpson6的試驗數(shù)據(jù)及Rhee和Hino7,8的計算結果進行比較，圖4為長橢球體升力系數(shù)Cl與力矩系數(shù)Cm計算結果.結果表明，本文的數(shù)值計算方法能夠反映以湍流分離流為主的復雜粘性流動的主要物理特征.圖4長橢球體升力系數(shù)與力矩系數(shù)計算結果比較3.2水動力導數(shù)的計算結果數(shù)值模擬采用實船大小，設計水線間長286m，型寬36.7m，型深27.2m，設計吃水9.4m，航速18kn.1）變舵角運動計算控制導數(shù)，每個舵角下采用的時間步長均為0.01s，數(shù)值計算6480時間步后船體所受側向力與力矩結果穩(wěn)定.圖5為不同舵角下（弧度）船體所受無量綱側向力Y與力矩N曲線，得到無量綱化的控制導數(shù).擬合采用如下matlab命令流：；(,2)；(1)*.3(2)*2(3)*(4),)；(,0,0,)1(1)*3(2)*2(3)*(4)；(,1)typpolyfittyfuninlinextxtxtxxtxlsqcurvefitfuntyyxtxtxtxplottyty（3）圖5不同舵角下側向力與力矩曲線2）斜航運動計算位置導數(shù)的方法同上，圖6為不同漂角下船體所受無量綱側向力Y與力矩N曲線（不同的漂角得到不同的側向速度），線性導數(shù)結果有表一給出，非線性導數(shù)vvvY=-0.30948，vvvN=0.00131.圖6不同側向速度下側向力與力矩曲線3）純橫蕩運動時，振幅a=3.3m，橫蕩頻率取0.02、0.04、0.05、0.08、0.1，來流速度V=9.26m/s（18kn），將一個數(shù)值周期取1600個時間步進行計算，計算4個周期，發(fā)現(xiàn)在第3個周期船體所受平均阻力、側向力與力矩結果均收斂.圖7為f=0.04Hz計算收斂后一個周期內的無量綱化的受力曲線.圖7純橫蕩運動時船體受側向力與力矩曲線純橫蕩運動時船體在隨體坐標系下的水動力表達式的無量綱化形式為：222321.111222VVYYYvvVVVLLVLL（4）將運動表達式sinyat、cosvyat、2sinvyat代入式（4），可得22()sin()cossincosVVaLaYYtYtVVAtBt（5）其中，22()VaLAYV，()VaBYV，對各橫蕩頻率下的受力曲線進行非線性擬合得到各系數(shù)項A、B.由于步驟2）斜航試驗給出的位置導數(shù)較準確，所以只用該方法確定線加速度導數(shù)Yv，即對公式22()VaLAYV進行第二次擬合，直線斜率即為VY,同理求得VN值，圖8給出vY擬合結果.0.0120.0100.0080.0060.0040.0020.000-0.002-0.004-0.006-0.008-0.0100102030攻角/()0.060.050.040.030.020.010.00-0.01-0.02-0.03-0.04-0.05力矩系數(shù)Cm升力系數(shù)ClRhee等力矩系數(shù)計算值,CmWetzel等力矩系數(shù)計算值,Cm本文力矩系數(shù)計算值,CmRhee等升力系數(shù)計算值,ClWetzel等升力系數(shù)計算值,Cl本文升力系數(shù)計算值,Cl0.0150.0100.0050.000-0.005-0.010-0.015-0.6-0.40.00.4舵角/()側向力Y力矩N船體側向力數(shù)值解,Y船體力矩數(shù)值解,Ny=-0.0000095+0.0023x+0.0000047x2-0.0019x3,Y0.0150.0100.0050.000-0.005-0.010-0.015-0.20.20.6y=0.0000036-0.00105x+0.00002x2+0.0075x3,N0.030.020.010.00-0.01-0.02-0.5-0.40.00.4側向速度V側向力Y力矩N船體側向力數(shù)值解,Y船體力矩數(shù)值解,Ny=-0.00009-0.03752x+0.00007x2-0.05158x3,Y-0.20.20.5y=0.000002-0.0052x+0.00025x2+0.00022x3,N0.0030.0020.0010.000-0.001-0.002-0.3-0.10.10.30.0100.0050.000-0.0050時間t/s側向力Y力矩N船體側向力數(shù)值解,Y船體力矩數(shù)值解,Ny=0.03192sint-0.002475cost,Y20y=0.00186sint-0.000525cost,N100.0100.0050.000-0.005YN11圖8純橫蕩運動水動力導數(shù)vY擬合結果4）純首搖運動時，數(shù)值求解過程同步驟3）.圖9為頻率為0.04Hz時計算穩(wěn)定后一個周期內受力曲線，圖10為加速度導數(shù)擬合結果，數(shù)值表一給出，非線性導數(shù)rrrY=-4.52E-4，rrrN=-9.06E-5.圖9純首搖運動時船體受力曲線圖10純首搖水動力導數(shù)rY、rN擬合結果為驗證本文計算結果的準確性，另對上述中的線性水動力導數(shù)采用勢流理論研究，其中，計算慣性力采用無升力勢流理論及兩因次切片法，計算粘性力采用細長體理論、短翼理論和分離繞流理論，并且將裸船體和附體所受到的水動力分開來計算，再進行疊加，具體計算方法參見文獻9，計算結果如表1所示，二者具有明顯的一致性.表1本文數(shù)值方法和勢流方法計算值比較水動力導數(shù)(104)本文數(shù)值計算值勢流理論計算值Y23266N-10.5-12.4vY-375-380vN-52-55vY-26-22vN0.971.2rY-14.3-14.6rN-15.4-12.7rY-3.2-2.8rN-2.44-2.295）漂角加首搖組合試驗確定交叉耦合導數(shù)，由于常數(shù)和2220sinrrt在一個周期內區(qū)間變號積分之值為零.以0sinrrt，20arV代入水動力表達式無量綱化，并在一個周期內進行變號積分得：20236322620236322611(,)()(,)()44111(sin)()()29611(,)()(,)()44111(sin)()()296rvvrrrrrvvrrrrYvrdtYvrdtaLaLYYYVVNvrdtNvrdtaLaLNNNVV（6）取頻率為0.02Hz，分別計算了漂角為0.2、0.4、0.6、0.8、1.2、1.4、1.6、1.8幾種情況的組合運動下的水動力，采用離散化函數(shù)積分形式計算等式左邊的積分值，即一個周期1600步，步長0.03125s，得到的一個周期內每個步長對應的水動力值計算區(qū)間變號積分，帶入已求得的rY,