船舶水动力的粘势流耦合方法初探

发布时间：2017-08-21 13:07

  本文关键词：船舶水动力的粘势流耦合方法初探

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【摘要】：船舶水动力性能预报是船舶生产设计过程中的重要环节,船舶水动力数值计算模拟也逐渐成为辅助船舶设计的重要手段,应用高效准确的数值计算理论方法预报船舶水动力性能将会提升船舶设计能力,提高设计质量、缩短设计周期。目前随着计算机的发展,基于势流理论的船舶航行兴波、切片理论方法等,在生产设计中已被广泛用于预报船舶阻力与耐波性能,尽管计算流体动力学(CFD)方法更为全面真实的考虑了流体粘性属性和流动非线性,但应用CFD方法计算船体水动力性能时占有大量的计算机资源,计算时间长,甚至导致生产设计周期过长,使其在船舶设计中应用受到较大的限制。本文采用速度分解方法,充分利用了势流理论快速计算与CFD方法全面真实的特性,结合两者优势给出了粘势流耦合求解船舶水动力问题的方法,基于开源CFD软件Open FOAM平台,开发了相应的粘势流耦合求解软件,并验证了理论方法和所开发的软件的正确性。首先,论文采用Helmholtz速度分解,将流场速度分解为势流部分和非势流部分,剥离势流部分后得到粘势流耦合的变形NS方程,并进一步给出了耦合势流理论求解变形NS方程的数值计算方法。以二维圆柱绕流为例,在Open FOAM平台上自主编程,实现了耦合二维圆柱绕流解析解的变形NS方程的求解。对流场中的速度、压力,与文献中的试验及传统CFD等的结果进行仔细比较和分析,验证了该方法理论的正确性以及计算结果的准确性。在此基础上,论文将该理论的应用推广至三维,并就三维潜体绕流进行了粘势流耦合求解。三维潜体绕流的势流问题直接采用了三维简单格林函数法进行了数值计算求解,并提出了源偶偏移法以确定变形NS方程相应的定解边界条件。自主编程在Open FOAM平台上实现了耦合三维潜体绕流势流解的变形NS方程的求解。通过流场细节分析和最终计算的阻力与实验数据的对比,验证了粘势流耦合方法用于计算三维绕流问题的准确性。最后论文以粘势流耦合方法计算Wigley船体阻力为例,初步探索了其在船舶水动力性能计算上的应用。船体阻力为兴波阻力和粘性阻力之和。Wigley船航行兴波阻力采用势流方法求解,粘性阻力采用了粘势流耦合方法求解叠模绕流获得。船体叠模绕流的势流解先由简单格林函数法计算获得,以此为基础进一步求解了变形NS方程的定解问题。获得的船体阻力,通过与实验及文献上相关数据的进行了比较和分析,结果吻合良好。论文研究表明该方法正确,适应性强,为改善粘流计算效率提供了新的途径。
【关键词】：粘势流耦合 Open FOAM 变形的NS方程 Helmholtz分解
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究的目的和意义10-11
• 1.2 粘势流耦合研究方法综述11-15
• 1.2.1 势流计算方法简介11-12
• 1.2.2 CFD计算方法简介12-13
• 1.2.3 粘势流耦合研究方法简介13-15
• 1.3 本文研究内容15-18
• 第二章 粘势流耦合理论18-40
• 2.1 Helmholtz速度分解方法18-22
• 2.1.1 粘势流理论简介18-20
• 2.1.2 Helmholtz速度分解20-22
• 2.2 边界条件及控制方程离散22-26
• 2.2.1 势流部分处理22-25
• 2.2.2 粘性耦合部分处理25-26
• 2.3 程序流程26-30
• 2.4 算例验证30-39
• 2.4.1 Helmholtz速度分解验证32-35
• 2.4.2 Helmholtz压力分解验证35-36
• 2.4.3 Helmholtz湍流模型验证36-38
• 2.4.4 Helmholtz分解计算精度验证38-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第三章 三维潜体绕流模拟40-59
• 3.1 计算网格与控制方程40-44
• 3.1.1 坐标系定义及计算区域选取40-41
• 3.1.2 势流部分控制方程及计算网格41-42
• 3.1.3 耦合粘性部分计算网格及边界42-44
• 3.2 粘势流耦合项求解44-47
• 3.2.1 势流部分数值处理44-45
• 3.2.2 源偶偏移法45-47
• 3.3 算例分析47-57
• 3.3.1 耦合计算势流预处理程序分析47-51
• 3.3.2 耦合计算流场分析51-55
• 3.3.3 流域大小影响分析55-57
• 3.3.4 耦合计算阻力分析57
• 3.4 本章小结57-59
• 第四章 基于粘势流耦合方法的船体阻力计算59-71
• 4.1 船体阻力计算模型59-63
• 4.1.1 船体阻力成分分解59-60
• 4.1.2 流场区域划分60-61
• 4.1.3 计算网格及计算域61-63
• 4.2 粘势流耦合数值处理63-65
• 4.2.1 势流部分处理63-64
• 4.2.2 耦合粘性部分处理64-65
• 4.3 模拟结果分析65-70
• 4.3.1 兴波阻力计算结果分析66
• 4.3.2 耦合流场分析66-68
• 4.3.3 Wigely船所受总阻力分析68-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第五章 总结与展望71-73
• 5.1 主要研究工作总结和结论71-72
• 5.2 进一步工作展望72-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文78-80

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本文编号：713034