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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (3): 1-4  DOI: 10.11991/yykj.201606018
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引用本文  

张福民, 张勇, 郭春雨, 等. 载人潜水器支持船舶快速性数值预报[J]. 应用科技, 2017, 44(3), 1-4. DOI: 10.11991/yykj.201606018.
ZHANG Fumin, ZHANG Yong, GUO Chunyu, et al. Numerical prediction on the rapidity of the manned-submersible-supported vessel[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(3), 1-4. DOI: 10.11991/yykj.201606018.

基金项目

国家自然科学基金项目(51209048)

通信作者

魏少鹏, E-mail:1615294093@qq.com

作者简介

张福民(1956-), 男, 研究员

文章历史

收稿日期:2016-06-27
网络出版日期:2017-05-22
载人潜水器支持船舶快速性数值预报
张福民1, 张勇1, 郭春雨2, 魏少鹏2, 赵庆新2    
1. 中国船舶及海洋工程设计研究院, 上海 200011;
2. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
摘要:为了研究某载人潜水器支持船舶的水动力性能,以该船模型为研究对象,应用数值模拟软件STAR-CCM+对其进行快速性能预报与流场分析,并与拖曳水池试验值进行对比。通过阻力性能、船舶艏艉波系、船身流线等与试验值的比较,数值模拟计算结果和模型试验结果具有较好的一致性。结果表明:数值预报精度满足工程应用的需要,较好地反映了船舶阻力性能与其周围流场的真实信息,为该船舶舭龙骨、螺旋桨的安装及船体型线的改进提供借鉴和参考。
关键词STAR-CCM+    快速性    流场    阻力性能    艏艉波系    流线    船体型线    数值模拟    
Numerical prediction on the rapidity of the manned-submersible-supported vessel
ZHANG Fumin1, ZHANG Yong1, GUO Chunyu2, WEI Shaopeng2, ZHAO Qingxin2    
1. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China;
2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: In order to study the hydrodynamic performance of the manned-submersible-supported ship, a model on the ship was taken as the research object, the numerical simulation software STAR-CCM+was applied to predict the rapidity of the vessel and analyze flow field, and the test results of towing tank were adopted for comparison.By comparing resistance performance, bow and stern wave systems, streamline around hull with the test values, it was found that the results of numerical simulation calculation keep in good consistency with the test results.The results show that the accuracy of the numerical simulation prediction meets the need of engineering application and properly reflects the real information of the ship resistance performance and surrounding flow field.Such results provide references and guidance for installation of bilge keel and propellers as well as the improvement of hull lines.
Key words: STAR-CCM+    rapidity    flow field    resistance performance    bow&stern wave systems    streamline    hull lines    numerical simulation    

对于船舶绕流场的数值研究中,Zhi-rong Zhang[1]应用RANS方法进行了带有自由表面的有无螺旋桨下KCS船舶的黏性绕流场并与实验值进行对比。Robert V.Wilson等[2]应用RANS方法进行了水面战舰的运动、绕流场等分析。万德成等[3]应用水平集方法进行了Wigley船黏性绕流场的数值模拟。黄胜教授[4]采用数值方法对黏性流场中带附体船舶和裸船体引起的伴流分布进行了计算研究。邓锐、黄德波等[5-6]基于RANSE方法, 对单体船型DTMB 5415和三体船FA1黏性流场进行了数值模拟,并验证了数值计算的有效性。王金宝等[7]进行了低速肥大船舶尾流场的数值模拟,尾流场模拟“钩状”效果明显。另外Lars Larsson等[8]针对哥德堡2010船舶水动力学CFD(计算流体力学)研讨会中33组团队针对KCS、KVLCC、DTMB5414船型的18个算例结果进行了收集、统计与分析。阚梓等[9]对狭窄航道中KCS船模快速性能进行数值预报并与试验值对比。以上研究充分证明了数值方法进行船舶水动力性能研究的可靠性,也为本文某载人潜水器支持母船绕流场的数值分析提供了借鉴。本文数值计算部分主要依托STAR-CCM+完成,模型试验在SSSRI船模水池实验室进行,数值模拟与试验工况一致。

1 计算模型及网格划分 1.1 计算模型

本文以某载人潜水器支持船舶为数值计算对象,船体模型与参数如图 1表 1所示。

图 1 载人潜水器支持母船模型
表 1 载人潜水器支持船舶船体参数
1.2 网格划分

应用STAR-CCM+软件代码自带的前处理功能对船舶模型进行面网格重构对船舶表面网格进行处理并生成表面三角化良好的高质量面网格,以面网格为基础生成带有边界层和切割体网格(trimmed mesh)的体网格。计算域为-1.0L$\leqq $x$\leqq $4.0L,0.0L$\leqq $y$\leqq $1L和-1.0L$\leqq $z$\leqq $2.0L长方体区域,由于模型、流场对称,采用对称面处理进行计算。计算网格为带有棱柱型边界层的切割体网格。计算域及边界面如图 2所示,网格形式如图 3所示。

图 2 计算域及边界
图 3 细节网格划分
1.3 数值计算

计算采用STAR-CCM+软件,基本方法是基于有限体积法求解N-S方程[10],湍流模型采用SST k-ω模型[11],边界条件见表 2。采用VOF(volume of fluid)方法[12-13]捕捉自由液面,并在入口、出口、侧壁面进行数值消波[14]防止自由表面反射回干扰[15]。计算了载人潜水器母船(原始)设计航速16 kn(模型2.125 m/s),设计吃水4.9 m(模型0.326 7m)的快速性能以及船舶绕流场。

表 2 边界条件
2 计算结果与分析 2.1 自由液面

图 45为设计航速、设计吃水状态下船舶艏艉处自由液面试验结果与数值结果进行对比,物理水池拖曳与数值模拟在试验现象上吻合良好,数值模拟中艏部球鼻艏兴波,艏部凯尔文肩窝,船尾鸡尾流,尾部波系分散等与水池拖曳效果吻合。

图 4 设计航速、设计吃水自由液面试验与数值计算对比(船艏)
图 5 设计航速、设计吃水自由液面试验与数值计算对比(船尾)
2.2 阻力

阻力性能数值计算结果如表 3所示,数值计算结果和模型试验结果的误差介于5%以内,符合工程要求。

表 3 阻力性能数值计算结果

数值计算结果和模型试验结果的吻合,说明此套网格以及数值模拟方法具有一定的工程适用性。

2.3 自由表面波形等高线

通过网格自由表面处凯尔文波形式加密,自由表面波形等高线得到了更为精细的模拟,如图 6所示。可以看到明显的凯尔文波角,以及球鼻艏兴波、船尾鸡尾浪。

图 6 设计航速、设计吃水自由表面波形等高线
2.4 船体流线

图 78为设计航速、设计吃水状态下船身流线试验与数值计算效果对比图,试验与数值计算在试验现象上吻合良好,数值模拟中球艏处斜流现象,呆木处流线等与试验值吻合,船模舭部流线为舭龙骨的安装提供了参考依据。

图 7 设计航速、设计吃水船身流线试验结果
图 8 设计航速、设计吃水船身流线数值计算结果
2.5 艉柱处伴流分布

图 9为设计航速、设计吃水状态下艉柱处伴流场数值模拟图,伴流场具有明显的速度收缩效果,且呆木后方伴流数值模拟图,较好地预报了呆木对流场的粘滞效果。另外此伴流数值分析图可以为船模螺旋桨的安装等起到流场预报作用。

图 9 设计航速、设计吃水艉柱处伴流分布
3 结论

通过阻力、船模自由表面兴波,船体流线等数值预报结果与船模水池拖曳试验值对比,得出以下结论:

1) 试验数值以及试验现象具有良好的吻合度,证明了网格划分以及数值算法具有良好的工程应用性。

2) 基于以上设置进行了自由表面兴波以及船尾伴流场预报,可以为船舶舭龙骨和螺旋桨的安装及船体型线改进提供一定的数值支持,具有相当的工程实践意义。

3) 相比于试验研究,数值模拟技术可以大量的节约人力物力,通过引入特定计算模型可以对船舶与海洋工程领域相关问题进行较准确的模拟分析,且随着计算机技术与计算流体力学技术的发展模拟效果与计算精度将更加精准。

参考文献
[1] ZHANG Zhirong. Verification and validation for RANS simulation of KCS container ship without/with propeller[J]. Journal of hydrodynamics, 2010, 22(5): 932-939. DOI:10.1016/S1001-6058(10)60055-8 (0)
[2] WILSON V R, CARRICA M P, STERN F. Unsteady RANS method for ship motions with application to roll for a surface combatant[J]. Computers and fluids, 2006, 35(5): 501-524. DOI:10.1016/j.compfluid.2004.12.005 (0)
[3] WAN Decheng, SHEN Zhirong, MA Juan. Numerical simulations of viscous flows around surface ship by level set method[J]. Journal of hydrodynamics, 2010, 22(5): 271-277. DOI:10.1016/S1001-6058(09)60206-7 (0)
[4] 黄胜, 单铁兵. 附体对船尾伴流场的影响研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2008, 29(11): 1147-1153. DOI:10.3969/j.issn.1006-7043.2008.11.002 (0)
[5] 邓锐, 黄德波, 周广利. 三体船阻力的数值计算研究[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2008, 29(7): 673-676. (0)
[6] 黄德波, 张雨新, 邓锐, 等. 单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2010, 31(6): 683-688. (0)
[7] 王金宝, 于海, 张越峰, 等. 低速肥大船舶尾流场数值模拟及阻力性能预报[J]. 水动力学研究与进展, 2010, 25(5): 648-654. (0)
[8] LARSSON L, STERN F, VISONNEAU M. CFD in ship hydrodynamics-results of the gothenburg 2010 workshop[C]//IV International Conference on Computational Methods in Marine Engineering(Selected Papers). Dordrecht:Springer, 2013:237-259 (0)
[9] 郭春雨, 阚梓, 赵大刚, 等. 计及船体姿态变化的水池阻塞效应数值[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2016, 37(12): 1620-1624. (0)
[10] WILCOX D C. Turbulence modeling for CFD[M]. USA: Dcw Industries La Canada California, 1998: 363-367. (0)
[11] MENTER F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications[J]. AIAA Journal, 1994, 32(8): 1598-1605. DOI:10.2514/3.12149 (0)
[12] HIRT C W, NICHOLS B D. Volume of fluid(VOF)method for the dynamics of free boundary[J]. Compute phys, 1981, 39(1): 201-225. DOI:10.1016/0021-9991(81)90145-5 (0)
[13] 李亮, 王超, 孙帅, 等. 实船自航试验数值模拟及尺度效应分析[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2016, 37(7): 901-907. (0)
[14] CHOI J, YOON S B. Numerical simulations using momentum source wave-maker applied to RANS equation model[J]. Coastal Engineering, 2009, 56(10): 1043-1060. DOI:10.1016/j.coastaleng.2009.06.009 (0)
[15] 李成成. 船舶在波浪中运动时域数值模拟研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2010. (0)