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基于动网格的单圆柱体附连水质量的数值计算

2018/1/30    来源:互联网    作者:董威  郭进涛  曹俊伟      
关键字:Fluent  动网格  多体船总振动  
介绍采用Fluent软件数值计算单圆柱体附连水质量的简便方法,通过计算,该方法计算出的附连水质量与理论值相比有较好的精度,可以推广于多体船总振动的附连水质量的计算。

0 引言

    目前,研究船舶总振动时,单体船及双体船的附连水质量已经有了经验公式,但是针对多体船(如三体船、五体船)的总振动,国内外的研究甚少,因此需要开发一种计算方法对其研究。随着计算机的迅速发展,数值计算方法已经成为研究复杂流体运动的主要工具。目前,Fluent等商用计算软件已经普遍运用在各种与流体力学相关的科学研究及工程项目中。

    本文采用Fluent软件数值计算单圆柱体附连水质量的简便方法:令单圆柱体在流场中做恒定加速度的非定常运动,通过Fluent数值模拟单圆柱体加速运动的绕流场并得到单圆柱体所受的阻力,进而得到附连水质量的大小。由计算结果得出,该方法计算出的附连水质量与理论值相比有较好的精度,可以推广于多体船总振动的附连水质量的计算。

1 数值计算附连水质量的方法

    众所周知,实际船舶的运动流场都为粘性流体,在研究船舶运动时,流体的粘性作用不能忽略,但根据定义,船体总振动附连水质量的大小与周围流体的粘性无关,只与船体的形状和周围流体的密度有关。因此,在计算附连水质量时无需考虑粘性,即假设流体是无粘的理想流体。通过Fluent的无粘流非定常运动模型和动网格(dynamicmesh)技术,给定船体变速运动的方程,由船体所受的合力求得船体的附连水质量。

1.1 数值模拟的控制方程

    假设物体速度小于l00m/S,其绕流场可按不可压缩流体计算。Fluent中无粘流模型(InviscidModel)的控制方程如下:

    1

1.2 数值计算时的边界条件

    通过计算可以发现,如果单圆柱体初始时刻没有初速度,而突然产生一个加速度,其流场计算的稳定性将大大降低,结果误差较大。为了能增加计算的收敛性,减少数值计算误差,这里先模拟单圆柱体匀速运动时的绕流场。然后运用Fluent里的动网格技术,在定常运动的结果上模拟单圆柱体以一恒定加速度非定常运动的流场,这样能得到相对稳定的流场和较高的精度。

    1)单圆柱体勻速平移运动时的边界条件

    以沿轴方向运动为例,在单圆柱体外一定距离处构筑流场的外边界,外边界与单圆柱体之间的区域为计算域。

    入口采用速度边界条件:ux=0,uy=0,uz=lm/s

    口采用流量边界条件:Qout=Qin

    2)单圆柱体加速运动时的边界条件

    平动加速时单圆柱体表面加速度边界:a=lm/s²,可由用户自定义函数UDF实现。

1.3 附连水质量的计算公式

1.3.1 计算公式

    在单圆柱体匀速平动的定常计算结果之上,使用动网格技术中的铺层(Layering)方法模拟单圆柱体在匀速运动后突然以一恒定加速度在流场中做加速运动,从而带动周围流体一起加速,产生由于单圆柱体加速而引起的附加惯性阻力。根据物体的受力方程,通过Fluent读出此时单圆柱体所受的阻力F,便能计算得到单圆柱体的附连水质量,其计算表达式如下:

    2

    式中,F非—单圆柱体加速运动下的阻力;F定—单圆柱体匀速运动下的阻力,它们都可由Fluent直接读出。

1.3.2 铺层方法(Laying)

    在所有和移动区域相邻的网格都是柱形的(六面体或三棱柱,二维时为四边形或三角形)时可以使用铺层方法。其根据移动表面附近的层的高度来添加或者移除和移动边界相邻的网格层。

    Fluent使用的铺层方法指定在每一个移动边界附近的理想层高度。根据网格层j的高度,相邻于移动边界的网格层j被分割或者和附近的网格层i合并。如果j层上的网格扩张了,网格高度可以扩展到:

    3

    当达到上述条件后,网格将根据指定的固定高度或者比率进行分割。当指定固定高度时,网格层会分裂为两层:一层是固定尚高度hideal,另一层是h-hideal。当指定固定比率时,新生成的网格高度比率为αs。如果j层的网格被压缩时,压缩将进行到:

    4

责任编辑:张纯子
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