[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810476971.1
• 申請(qǐng)日: 2018-05-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108763692B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仲繼澤;謝志強(qiáng);王春旭;沈渡;范明偉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/28
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/28;G06F30/23;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專(zhuān)利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡建平;王杰

1.一種用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法，其特征在于，它包括以下步驟：

S1、確定興波流速公式：根據(jù)軌圓運(yùn)動(dòng)理論確定船舶流場(chǎng)進(jìn)口的興波流速的計(jì)算公式：

式中，V表示水質(zhì)點(diǎn)由于波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的速度向量；V_L表示水質(zhì)點(diǎn)在波浪傳播方向的速度分量；V_A表示水質(zhì)點(diǎn)在波浪傳播方向的垂直方向的速度分量；A是波浪的波幅；D是水質(zhì)點(diǎn)在水下的深度；L是波浪的波長(zhǎng)；T表示水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)周期；θ是用于標(biāo)記水質(zhì)點(diǎn)在軌圓上的位置；

S2、編程實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)進(jìn)口流速時(shí)空變化：對(duì)興波流速公式進(jìn)行坐標(biāo)化改造，得到表征流場(chǎng)進(jìn)口流速的時(shí)空變化規(guī)律的公式：

式中，U_x表示在流場(chǎng)進(jìn)口的任意一點(diǎn)處，水質(zhì)點(diǎn)的流速在x軸方向的速度分量，以船艏指向?yàn)閤軸正方向；U_z表示水質(zhì)點(diǎn)的流速在z軸方向的速度分量，以重力方向的反向?yàn)閦軸正方向；U表示船舶航速；A是波浪的波幅；T表示水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)周期；L是波浪的波長(zhǎng)；z是水下任意一點(diǎn)的坐標(biāo)；z₀是水面的z軸坐標(biāo)；t表示時(shí)間；

再通過(guò)CFD軟件中的二次開(kāi)發(fā)程序?qū)⒃摴礁膶?xiě)成代碼形式，然后將該代碼進(jìn)行編譯形成可執(zhí)行程序，并在CFD軟件中加載該程序以設(shè)定流場(chǎng)的速度進(jìn)口邊界條件；

S3、建立基于水體積分?jǐn)?shù)的組分輸運(yùn)方程：以水的體積分?jǐn)?shù)為變量，根據(jù)流體力學(xué)理論中的雷諾輸運(yùn)定理，構(gòu)建水與空氣之間的組分輸運(yùn)方程：

式中：ρ_w是水的密度；t是時(shí)間；α_w是水的體積分?jǐn)?shù)；u_w是水的流速向量；是水和空氣之間的質(zhì)量輸運(yùn)；是哈密頓算子，表示梯度運(yùn)算；

S4、求解船舶流場(chǎng)及組分輸運(yùn)方程，包括以下分步：

①采用RANS方程和Realizable k-ε湍流模型方程，作為流場(chǎng)的基本控制方程；

②通過(guò)有限體積方法，以二階迎風(fēng)格式離散對(duì)流項(xiàng)，以一階顯示式格式離散瞬態(tài)項(xiàng)，最終得到離散后的流體控制方程；

③在Fluent中，采用步驟S2生成的可執(zhí)行程序設(shè)置流場(chǎng)的進(jìn)口邊界條件，設(shè)置流場(chǎng)出口為壓力出口邊界，設(shè)置船舶表面為無(wú)滑移壁面邊界，流場(chǎng)其他邊界設(shè)置為滑移壁面邊界；

④通過(guò)Fluent的SIMPLE算法，以先解流體基本控制方程、后解步驟S3中建立的水和空氣的組分輸運(yùn)方程的順序，采用迭代的方式求得船舶流場(chǎng)的收斂的數(shù)值解；

S5、提取波浪面及計(jì)算船舶水動(dòng)力系數(shù)：將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD軟件中提取波浪面，并提取船舶表面的流體壓力和粘性剪切力，通過(guò)數(shù)值積分的方式計(jì)算船舶水動(dòng)力值，然后根據(jù)相關(guān)水動(dòng)力理論即可計(jì)算得到船舶的水動(dòng)力系數(shù)值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法，其特征在于，步驟S2中的二次開(kāi)發(fā)程序采用Fluent的DEFINE_PROFILE函數(shù)宏以及F_CENTROID和F_PROFILE命令將表征流場(chǎng)進(jìn)口流速時(shí)空變化的公式改寫(xiě)成代碼形式，然后將該代碼進(jìn)行編譯形成“*.dll”格式的可執(zhí)行程序，并在Fluent中加載以設(shè)定流場(chǎng)的速度進(jìn)口邊界條件。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法，其特征在于，步驟S3中，為了加快計(jì)算速度，采用有限體積方法以一階顯示格式對(duì)組分輸運(yùn)方程進(jìn)行離散，離散之后的組分輸運(yùn)方程如下：

式中：上標(biāo)n表示當(dāng)前時(shí)間步；上標(biāo)n-1表示前一時(shí)間步；Ω表示有限控制體的體積，即流場(chǎng)網(wǎng)格單元的體積；f表示有限控制體的表面；表示前一時(shí)間步的有限控制體表面的流速。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法，其特征在于，步驟S5中，將步驟S4的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到CFD-Post中，通過(guò)等值面功能提取水的體積分?jǐn)?shù)為0.01的等值面，該等值面將流體域分為空氣和水兩部分，可將該等值面視為實(shí)際的波浪面。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法，其特征在于，步驟S5中，船舶水動(dòng)力值包括水動(dòng)阻力，水動(dòng)升力，水動(dòng)力矩；水動(dòng)力理論為水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算公式；船舶的水動(dòng)力系數(shù)值包括阻力系數(shù)，升力系數(shù)，力矩系數(shù)。