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影响船舶CFD模拟的因素分析与三体船阻力计算改进探讨

陈康  
【摘要】: 近十多年来,随着计算机技术和计算流体动力学理论及技术的迅猛发展,CFD技术越来越广泛地用于船舶水动力性能的研究。相对于传统的水池拖曳试验方法和半理论半经验公式的估算方法,CFD方法在船舶水动力性能研究中展现了流场模拟的优势,已经成为船舶阻力、推进、操纵等性能研究的有效手段。但受限于CFD理论及技术的发展水平,采用该技术得到的数值结果受到多种模拟误差及不确定度的影响,并且各种误差及不确定度降低了数值计算的可靠性及可信度。因此,分析影响船舶CFD模拟精度的各种因素并探讨有关改进数值计算的方法具有很重要的意义。 论文中为了达到改进船体阻力等水动力性能数值计算的目的,详细分析了网格、湍流模型理论及离散格式等因素对船舶CFD模拟精度的影响,并借助船体阻力性能的研究探讨了多种改进船体性能研究的方法的可行性和有效性,最后尝试性地提出一种新的实用的改进船体阻力计算的方法并加以了验证。由于船舶CFD模拟中影响船体阻力计算精度的因素同样会影响其它水动力性能的研究,因此论文中基于船体阻力计算得到的相关结论同样适用于其它水动力性能的研究。 为了确定网格因素对船体阻力数值计算精度的影响,论文中引入CFD检验和有效性验证中的网格误差及不确定度分析方法,开展网格收敛研究分析简单Wigley船型和数学三体船型阻力的数值计算中网格误差及不确定度的影响。结果表明网格收敛研究可以提高船体阻力数值计算的可靠性和可信度; 为了确定湍流封闭模型理论对船体阻力数值计算的影响,文中以Wigley船型和数学三体船型为研究对象,计算了基于不同湍流模型的船体阻力,同时开展了湍流模型常(系)数的敏感性研究。结果表明,现有的各种湍流模型用于三体船阻力的数值计算时会导致不同的模型误差及不确定度;两种常见湍流模型中推荐的模型常(系)数适用于三体船的阻力性能计算。文中也指出了比较适用于三体船型阻力计算的湍流模型; 为了确定对流项离散格式对船体阻力数值计算的影响,文中以Wigley船型和数学三体船型为研究对象,计算了不同离散格式情况下的船体阻力。研究结果表明,不同对流项离散格式会导致船体阻力计算值发生变化。与网格、湍流模型等因素相比,对流项离散格式对船体阻力数值计算的影响程度较小。 依据wigley船型和数学三体船型阻力性能研究的结论,文中分别从网格、湍流模型及对流项离散格式等角度改进三体船模型的阻力计算,但效果不明显。 对大量计算结果研究发现,在船体阻力的数值计算中,由网格、湍流模型、离散格式及其它因素所导致的误差及不确定度无法彻底排除。各种误差的存在影响船体阻力计算值与试验值之间偏差的大小。根据CFD增量研究的方法和思想,文中在认可船体阻力计算中各种误差不可避免的前提下,基于误差抵消思想提出一种新的改进阻力计算的方法。计算结果及验证研究表明该方法有助于改进三体船型的阻力计算。但该方法还仅仅是雏形,需要进一步从理论及方法上加以完善与发展。


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