大型養(yǎng)殖工船快速性仿真分析

大型養(yǎng)殖工船快速性仿真分析

0總結(jié)快速是船舶最重要的設計指標之一，與船舶的運營和經(jīng)濟性密切相關。1風力場模型本文采用VOF法捕捉自由液面，基本方程為非定常雷諾時均方程（RANS），湍流模型采用可實現(xiàn)k-ε雙方程形式。采用VOF法時，其體積分數(shù)方程如式（1）所示式中：α雷諾時均方程包括連續(xù)性方程及動量方程，如式（2）所示式中：u由于雷諾時均方程引入雷諾應力，導致方程不封閉，因此發(fā)展了不同的湍流模型，通過構建雷諾應力與流場速度之間的關聯(lián)關系，實現(xiàn)方程的封閉?？蓪崿F(xiàn)k-ε模型中湍動能k及湍流耗散率ε的輸運方程如式（3）所示。2船型及主要參數(shù)養(yǎng)殖工船船型如圖1。船體基本參數(shù)見表1。3網(wǎng)格和計算參數(shù)的配置3.1計算網(wǎng)格劃分需在船體周邊設置較大的區(qū)域用于船體周邊流場計算，計算域入口與船首間的距離為2Lpp，計算域出口距離船尾5Lpp。由于流場沿船體中縱剖面對稱，因此僅計算半船。網(wǎng)格劃分的基本原則是越貼近船體濕表面，其網(wǎng)格越密，同時為了精確捕捉自由液面，在吃水線處也應對網(wǎng)格做加密處理。雖然網(wǎng)格的增加有利于計算的精確性，但是所需計算資源及計算時間成本也會相應增加。因此，為了平衡網(wǎng)格精度及計算成本，針對計算網(wǎng)格采取分塊劃分的措施，即在船體周邊及自由表面處加密網(wǎng)格，而遠離船體處可設置較粗的網(wǎng)格，同時，為了捕捉開爾文波，還需大致沿著開爾文波的傳播方向進行加密設置。網(wǎng)格設置完成后如圖2所示。圖3則顯示了船體表面的y3.2計算參數(shù)本文采用可實現(xiàn)k-ε湍流模型進行模擬計算，壁面采用2層全y3.3vof波阻尼邊界1）計算域入口。給定速度入口邊界條件，考慮邊界波反射對仿真模擬的影響，需開啟VOF波阻尼邊界選項。2）計算域出口。給定壓力出口邊界條件，同時開啟VOF波阻尼邊界選項。3）計算域?qū)ΨQ面。給定對稱邊界條件。4）計算域其余面。給定速度入口邊界條件。5）船體表面。給定無滑移壁面邊界條件。4網(wǎng)格數(shù)量對計算的影響在分塊劃分的基礎上，開展網(wǎng)格無關性驗證，本文選取粗網(wǎng)格、中網(wǎng)格、細網(wǎng)格3種網(wǎng)格形式進行數(shù)值計算并驗證網(wǎng)格數(shù)量對收斂的影響，3種網(wǎng)格的計算結(jié)果如表2所示。由此可見，計算結(jié)果與試驗結(jié)果的差距隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而減??；然而，計算成本也隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而增加。就本計算結(jié)果而言，隨著網(wǎng)格的增加，計算精度提升有限，而時間成本則增幅巨大。因此，后續(xù)將采用中網(wǎng)格開展仿真計算。5興波對船內(nèi)水體的影響給定船體所受總阻力作為收斂監(jiān)測對象，當總阻力曲線不隨時間變化后可認定計算收斂。由圖4可知，計算結(jié)果收斂性很好。如圖5所示，水線以下壓力分布云圖呈現(xiàn)較明顯的分層特性。造成此種現(xiàn)象的原因在于肥大型船低速航行時，黏壓阻力占據(jù)主導作用，而興波造成的影響相對較小，水在繞船流動過程中運動較為平緩，對船體表面壓力作用較平均。興波的影響從圖6中可以得到較為明確的體現(xiàn)。由圖6可知，船體興波最高處位于船首（x坐標增大方向為船尾向船首方向），興波向后傳遞時，由于船體橫剖面由狹小轉(zhuǎn)為豐腴，水流沿斜下方向沖往船底，導致這部分興波減小。隨著興波到達平行中體后，此處船體橫剖面不變，流體速度及速度梯度變化較小，因此，此處興波基本保持不變。而當興波行程抵達艉部時，此時船體橫剖面再次由豐腴轉(zhuǎn)向狹小，流場在此處再次發(fā)生較大的變化，且變化趨勢與興波從船首至船中處的趨勢相反，因此導致艉部興波變大。但是總體而言，全船范圍內(nèi)的波高船長比僅為0.0033，可見興波對船體影響不占據(jù)主導作用。上述現(xiàn)象表明，在船底及舭部附近，船體所受壓力較大，這是由于水在經(jīng)過該區(qū)域時產(chǎn)生舭渦，從而形成低壓區(qū)使得水流向該處集中從而增加了黏壓阻力。由圖7可知，船首底部舷側(cè)水流沿斜方向由水平流入船底，導致船體舭部產(chǎn)生界層分離從而容易形成舭渦。圖8給出了船體尾部槳盤面處的軸向標稱伴流分數(shù)等值線云圖。由圖8可知，槳盤面處的軸向伴流分數(shù)有向船體中縱剖面靠近的趨勢，這是因為從艉向艏看，尾鰭在x方向呈內(nèi)八字形狀。對于肥大型船而言，由于流體在從船首至船尾處因船體收縮而產(chǎn)生湍流，因此伴流線易形成倒鉤狀。本船槳盤面處伴流特征分布線也產(chǎn)生了倒鉤，但不明顯，一方面是因為航速較低，另一方面是由于船尾處型線過渡較為光順平緩。6靜水阻力算例后續(xù)開展了模型試驗，獲取了船模靜水阻力，并與計算結(jié)果進行對比，圖9為靜水阻力試驗過程，其結(jié)果如圖10所示。其中，計算航速范圍內(nèi)，最大誤差為2.88%，可見仿真模擬結(jié)果能夠較好地反映實際情況。7試驗結(jié)果的控制1）采用可實現(xiàn)k-ε湍流模型，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，CFD數(shù)值仿真能夠較好地模擬雙尾鰭肥大型船的流場特征，以總阻力作為衡量指標，計算結(jié)果與試驗結(jié)果最大誤差可控制在3%內(nèi)。2）肥大型船低速航行時阻力主要由黏壓阻力構成，興波阻力占比較小。船首底部附近的渦流使其形成負壓，導致船體底部表面壓力增加，同時也會使得黏壓阻力有增大的趨勢。3）槳盤面處標稱伴