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基于RANS的船舶阻力和耐波性虚拟试验与分析技术研究

蒋银  
【摘要】:船舶在海上航行时保持航速的能力以及船舶在波浪中运动特性等,历来是船舶设计和使用者十分关注的问题。研究船舶航行性能的方法大致分为模型试验、理论研究和数值模拟三大类方法。船舶性能试验是目前最为可靠的方法,但是成本高,获取的流场信息有限,且存在模型尺度效应、流场扰动和仪器测量精度不足等缺陷。理论研究方法的研究对象局限于几何外形简单的结构物。数值模拟方法中,基于势流理论的边界元方法求解问题效率高,但是忽略了粘性。近年来,随着计算机科学技术的发展,基于雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法快速发展。该方法比模型试验经济高效,相对于势流理论方法考虑了粘性影响,因而成为了不可或缺的求解船舶与海洋工程水动力问题的重要方法。世界各大水池机构或独自开发数值水池模块,也有多家科研院所强强联合开发虚拟试验水池,如:欧盟虚拟实验水池(The Virtual Tank Utility in Europe,VIRTUE)、中国数值水池等。开发船舶性能虚拟试验水池已成为当下研究的热点和未来发展的主要方向,深入开展船舶性能虚拟试验建模与实现、虚拟测试及分析技术等研究,对提高我国船型设计研发水平、国际竞争力以及促进我国船舶工业发展具有重要意义。本文对国内外关于基于CFD方法的船舶性能虚拟试验水池技术的研究进行了综述。以往研究尽管在虚拟试验水池的数值实现和船舶主要性能计算方面取得了较大的进展,但仍然在应用拓展和机理认识方面存在一些问题,值得进一步探索研究,如:(1)目前船舶绕流模拟,阻力计算,数值计算结果与模型试验仍然存在一定的误差。(2)航行船舶遭遇海况复杂,但对船舶运动、波浪增阻的模拟研究一般是针对迎浪工况,对于船舶斜浪工况研究较少。对增阻计算研究多是以对比物理实验结果为目的,对增阻的机理认识研究较少,特别是随现代船舶尺度的增大,海上遭遇波浪相对短波较多,而短波中波浪增阻的计算和机理研究较少。(3)船舶自由横摇衰减数值模拟研究较多,通常是给定横摇阻尼模型,根据自由横摇衰减曲线,采用消灭曲线法或能量法获得横摇阻尼系数。但是,事先假定横摇阻尼模型无疑给系统添加了约束限制条件,存在明显的局限性。(4)船舶参数横摇,轻则影响船员身体舒适度和船舶正常作业,重则导致船舶倾覆、人财两空的灾难。船舶参数横摇受粘性影响较大,非线性现象较强,而RANS方法是考虑粘性的时域非线性方法,以此模拟研究船舶参数横摇的研究和公开发表的文献较少。有鉴于此,论文在商用计算流体动力学软件STAR CCM+平台上,开展了相关船舶性能虚拟试验建模与实现、虚拟测试及分析技术等研究,主要研究工作如下:(1)基于RANS方法进行了不同航速船舶阻力虚拟试验与阻力计算。对于中高航速工况,以VOF(Volume of Fluid)法捕捉自由液面,使用重叠网格技术实时模拟船舶航行姿态,给出了中高航速船模绕流场数值模拟方法。通过分析不同网格、时间步长等因素对绕流计算结果的影响,验证了中高航速船舶阻力虚拟试验技术的稳定性和可靠性;通过对比试验值,确认了有效性。并应用于KVLCC2、KCS、三体船等不同船型的阻力计算,证实了该虚拟试验技术的普适性。对于低航速工况,船舶总阻力中的兴波阻力成分占比较小,粘性阻力为主,航行姿态对船舶阻力影响较小,可以忽略自由液面、航行姿态的影响,直接对固定叠模绕流进行数值模拟,引入尾流测量,计算船舶粘性阻力。通过分析不同网格、时间步长等因素对阻力计算结果的影响,验证了低航速船舶阻力虚拟试验技术的可靠性;并应用该方法研究了航速、模型尺度对阻力的影响,拓宽了对阻力机理的认识。(2)在虚拟试验水池的边界上增加造波、消波功能,结合重叠网格技术计算船体运动,实现了虚拟水池中船舶在波浪中的运动响应模拟和波阻增加测试计算。构建的虚拟波浪水池,入口为造波边界,周边设有消波区,论文给出了一套经济且计算结果精度较高的时空间离散策略。通过船舶在虚拟水池中遭遇不同波长的迎浪运动模拟,运用傅立叶级数拟合技术得到了运动与波浪增阻,数值结果与物理试验的结果吻合较好。同时,通过波阻成分分析给出了波浪增阻中的辐射和绕射增阻成分。进一步推广研究了斜浪中的船舶运动响应和波阻增加,以及给出了短波增阻预报方法,即对于遭遇短波,船体运动较小,可直接以固定模型计算短波增阻(绕射增阻)。波长、浪向对波浪增阻影响的研究,提高了对船舶波浪增阻机理的认识。(3)船舶横摇阻尼是准确预报船舶在波浪中横摇运动的关键因素之一。基于RANS方法,以VOF法捕捉自由液面,使用重叠网格技术实现船舶横摇运动,给出了船模自由横摇衰减虚拟试验技术。分析了不同网格、时间步长等因素对船舶自由横摇衰减数值模拟计算结果的影响,验证了该虚拟试验技术的稳定性和可靠性,通过与试验结果的对比,确认了该技术的有效性。当前船舶横摇阻尼的获取一般是根据自由横摇衰减曲线采用消灭曲线法或是能量法。本文引入系统非参数辨识,分别采用Tikhonov’s正则方法和随机反问题求解方法求解第一类Volterra积分方程,对船舶自由横摇衰减非线性动力系统进行非参数辨识,建立了针对船舶自由横摇衰减虚拟试验的系统非参数辨识方法—基于Tikhonov’s正则化和基于马尔科夫链蒙特卡洛方法(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)的非参数辨识法。相对于传统方法,该测试分析技术事先不需要给定阻尼模型,避免了给动力系统作过多假设,具有明显的优越性。通过将阻尼、非线性回复力代入运动方程计算获得的运动重构,与CFD数值结果进行了对比分析,证实了基于船舶自由横摇衰减虚拟试验的非参数辨识方法的有效性。并研究了舭龙骨宽度、航速、初始横摇角、模型尺度、限制水域对横摇阻尼、非线性回复力的影响。(4)研究中发现基于CFD方法对船舶参数横摇数值模拟研究和公开发表的论文较少,事实上船舶参数横摇受粘性影响较大,非线性现象较强,CFD方法考虑粘性和时域非线性,优势突出。论文采用了两种方法模拟参数横摇:方法一是结合势流理论和CFD的混合方法;方法二是发挥CFD优势直接进行时域模拟,对船体遭遇波浪时的运动初始阶段,给出了两种新的初始扰动激励方式,建立了基于RANS的船舶参数横摇虚拟试验模拟。CFD方法考虑了流体的粘性,实时捕捉自由液面,能根据瞬时湿表面积计算回复力,该方法不仅能模拟参数横摇的发生,也能模拟大幅度参数横摇后非线性现象的发展,在计算结果的精度、物理机制认识等方面均有明显的优势。论文研究了初始条件、航速、波陡、横向惯性矩、重心垂向高度对参数横摇的影响,给出了参数横摇横摇幅值关于航速、波陡、横向惯性矩、重心垂向高度等参数的图谱。该研究不仅增强了船舶参数横摇的机理认识,而且对船型设计、船舶运营、船舶装载具有重要的指导作用和参考价值。


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