[發(fā)明專利]一種用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810476971.1
• 申請日: 2018-05-18
• 公開（公告）號: CN108763692B
• 公開（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（專利權(quán)）人: 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/23;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡建平;王杰

本發(fā)明涉及一種用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法，根據(jù)軌圓運(yùn)動理論確定流場進(jìn)口的興波流速公式，通過二次開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)船舶流場進(jìn)口處流速的時(shí)空變化，以水的體積分?jǐn)?shù)為變量，建立水與空氣之間的組分輸運(yùn)方程，最后求解船舶流場及組分輸運(yùn)方程。本發(fā)明通過水動力學(xué)的軌圓運(yùn)動理論實(shí)現(xiàn)數(shù)值興波，能夠計(jì)算波浪條件下的船舶水動力系數(shù)，為船舶水動力性能及耐波性的評估提供支持；本發(fā)明的技術(shù)方案是在理論分析的基礎(chǔ)上提出的，不受船舶類型的限制，所以本發(fā)明適用于任意一種類型的水面船舶。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及船舶水動力分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法。

背景技術(shù)

優(yōu)異的水動力性能可以顯著提高船舶的經(jīng)濟(jì)性，而船舶水動力性能的設(shè)計(jì)、評估和優(yōu)化都離不開船舶的水池拖拽實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的物理水池實(shí)驗(yàn)通常需要設(shè)計(jì)系列船模，成本高，周期長；由于尺度效應(yīng)的存在，使得船模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以完全符合實(shí)船的流動情況；另外，由于測量技術(shù)自身的限制，難以準(zhǔn)確測量船模附近的復(fù)雜流場，同時(shí)測試設(shè)備的布置也會對船模流場造成干擾。

隨著計(jì)算流體動力學(xué)方法(CFD)的快速發(fā)展，目前采用CFD方法模擬船舶水池的技術(shù)已成為目前船舶水動力學(xué)設(shè)計(jì)、評估和優(yōu)化的前沿技術(shù)。船舶數(shù)值水池比物理水池費(fèi)用低，可以采用實(shí)尺度模型進(jìn)行計(jì)算，從而避開縮尺效應(yīng)，而且能夠?qū)崟r(shí)捕捉船舶附近的復(fù)雜流動情況。

目前的船舶數(shù)值水池技術(shù)多采用動量源興波法以及基于動網(wǎng)格的搖板興波法，前者需要額外得求解波面方程，后者需要求解額外的流場網(wǎng)格變形控制方程，這都給船舶流場計(jì)算增加了負(fù)擔(dān)，所以目前的船舶數(shù)值水池技術(shù)存在計(jì)算效率偏低的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的船舶數(shù)值水池技術(shù)效率偏低的問題，提供一種用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法，它能夠更加高效地計(jì)算波浪條件下的船舶水動力系數(shù)，為船舶水動力性能及耐波性的評估提供支持。

本發(fā)明為解決上述提出的技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

一種用于船舶數(shù)值水池的高效興波方法，通過水動力學(xué)的軌圓運(yùn)動理論實(shí)現(xiàn)數(shù)值興波，能夠計(jì)算波浪條件下的船舶水動力系數(shù)，為船舶水動力性能及耐波性的評估提供支持，它包括以下步驟：

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

S2、編程實(shí)現(xiàn)流場進(jìn)口流速時(shí)空變化：對興波流速公式進(jìn)行坐標(biāo)化改造，得到表征流場進(jìn)口流速的時(shí)空變化規(guī)律的公式，再通過CFD軟件中的二次開發(fā)程序?qū)⒃摴礁膶懗纱a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；

S4、求解船舶流場及組分輸運(yùn)方程；

S5、提取波浪面及計(jì)算船舶水動力系數(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，通過數(shù)值積分的方式計(jì)算船舶水動力值，然后根據(jù)相關(guān)水動力理論即可計(jì)算得到船舶的水動力系數(shù)值。

上述方案中，步驟S1確定的船舶流場進(jìn)口的興波流速的計(jì)算公式為：

式中，V表示水質(zhì)點(diǎn)由于波浪運(yùn)動產(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；T表示水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動周期；θ是用于標(biāo)記水質(zhì)點(diǎn)在軌圓上的位置。

上述方案中，步驟S2中得到的表征流場進(jìn)口流速的時(shí)空變化規(guī)律的公式為：