[發明專利]基于動網格技術船隨波浪在航線方向上運動模擬方法

在審

• 申請號: 201910150378.2
• 申請日: 2019-02-28
• 公開（公告）號: CN110020459A
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 楊奕;梅天祥;顧菊平;張桂紅;陳建波;顧海勤;高龍;任曉琳
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南通市永通專利事務所(普通合伙) 32100
• 代理人: 葛雷

1.一種基于動網格技術船隨波浪在航線方向上運動模擬方法，其特征是：包括下列步驟：

(1)采用CFD的基本控制方程：

質量守恒方程(1)、動量守恒方程(2)和能量守恒方程(3)；

其中ρ是密度，t是時間，u是速度矢量，S_u、S_v和S_w是動量守恒方程的廣義源項，其中，u、v和w分別是速度矢量u在x、y和z方向上的分量，μ是動力粘度，λ為第二粘度；對于粘性為常數的不可壓縮流體，源項為零；T表示溫度，k表示流體傳熱系數，c_p表示比熱容，S_T表示粘性耗散熱，對于不可壓縮流體，熱交換量較小，可忽略不計；

(2)建立湍流模型

考慮到船在航行時海水密度變化很小，不會對流體流動產生突出的影響，則不可壓縮流體運用時均運算法則得到Reynolds平均Navier-Stokes方程為：

其中ρ是密度，t是時間，μ是動力粘度，p為壓強，S_i是廣義源項，v流體流動真實速度，為平均速度，v’為真實流動速度與平均速度之差；

(3)建立VOF模型

VOF模型通過求解單獨的動量方程和處理穿過區域的每一流體的容積比來模擬兩種或三種不能混合的流體；船在海上行駛時，分界面處有氣體和液體兩相流，通過VOF方法來對水和空氣界面進行分析求解；由于流體有連續性，可將流體看作由無數微小的單元組成的連續介質，通過空間坐標和時間函數，可以數學描述出流體的各項物理量；通過VOF方法的計算，得到每個相的各個單元體積分數的連續性方程，就可模擬多相混合流體的自由表面；

(4)采用動網格技術

動網格是用來模擬因為流體域邊界發生剛性運動，亦或是邊界發生變形而導致流體域隨著時間變化發生形變的流動問題，船體在FLUENT中的定義可以通過用戶自定義函數UDF文件來定義船體的剛體運動；船舶隨著明渠流運動，在邊界處會發生變形，則網格會發生變化，因而必須采用動網格中的平滑和重構技術，產生新的網格；

在任意一個控制體中，廣義標量Φ的積分守恒方程為[12]：

式中，ρ為密度；u為速度流量；u_g為移動網格的網格速度；Γ為擴散系數；S_Φ為源項；為控制體V的邊界；

式(6)-式(9)中的時間導數項；可以用一階向后差分格式寫成：

式中，n和n+1為不同的時間層；n+1層上的Vⁿ⁺¹由式(7)計算：

式中，dV/dt是控制體的時間導數；為了滿足網格守恒定律，控制體的時間導數由式(8)計算：

式中，n_f為控制體積的面網格數；A_j為面j的面積向量；點乘u_g,j○A_j由式(9)計算：

式中，δV_j為控制體積面j在時間間隔Δt中掃過的空間體積；

(5)船在明渠流中航行的計算模型

假設船在明渠流海面上航行，建立以船為中心，即船始終位于坐標O點，以航線的方向為x軸的右手坐標系，即船的正左方是y軸，正上方是z軸，其形狀特征分別由船長L、船寬B_L和型深D三個參數描述，數學表達式如下：

其中的參數值為:

Wigley船模參數表

船長L(m)	L(m)]]>	型深D(m)
2	0.2	0.125

本模型中，整個計算域為二維長方形，長為14米，寬4米，入口設為速度入口，出口為壓力出口，上下界面設為對稱邊界；利用GAMBIT對流場區域進行非結構網格劃分，為確保邊界層內流動特性的良好捕捉，因而采用不等距網格劃分，且在氣液分界面處進行適當網格加密；

(6)船舶在明渠流中航行的仿真策略

采用ANSYS FLUENT軟件對船隨波浪運動進行數值模擬，在航行時，船體邊界運動規律是未知的，且會與周圍流場產生耦合，因而編寫UDF文件來定義船體的轉動慣量，且打開船舶的橫搖自由度對船體浮態進行模擬；對自由液面的模擬和跟蹤采用VOF方法，此方法通過計算每個網格單元的液體體積分數構造運動界面，進而確定自由面位置，具有較高的分辨率和精度；

船舶在波浪中航行的數值模擬，需進行數值波浪的制造和邊界產生的反射波的消除；采用明渠流的二階Stoke波進行數值造波；消波采用數值海灘模型；

船舶在海上運動是瞬態非穩定過程，湍流模型采用對逆壓梯度流場捕捉較好地SST K-W模型進行仿真；根據Wigley船模型，利用GAMBIT畫出計算域以及船的計算域網格圖，并將其導入FLUENT，模擬二階stoke波，進而模擬Wigley船在此二階stoke波下的運動情況。