[发明专利]预报船舶阻力的CFD计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，具体地，涉及一种对船舶阻力进行预报的CFD计算方法。

背景技术

船舶静水航行的阻力性能预报和兴波情况模拟一直是船型优化和设计的一个热门研究课题。提高阻力计算的精确度和阻力变化内在规律的研究具有十分重要的意义。现有的研究方法有模型试验、势流理论计算及计算流体力学(CFD)方法求解等方法。

随着计算机运算速度的提高，使得CFD方法计算具有高度非线性运动特征的船舶航行阻力成为可能。在CFD计算方法中，对绕船体自由面周围黏性流场进行数值模拟的方法主要有直接数值模拟(DNS)，大渦模拟(LES)。上述两种方法均存在计算量大、精度不高的问题。

发明内容

针对现有现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种预报船舶阻力的CFD计算方法，相比其他两种方法，它不太关注湍流的脉动量，而是通过某种模型在时均化方程中体现出来，从而避免了计算量大的问题。在实际工程应用中，本发明方法计算量相对较小，精度高。当船舶的运动具有高度非线性特点和复杂的尾流时，使用本发明方法能更快、更准确的预报船舶的阻力。

为达到上述目的，本发明是一种预报船舶阻力的CFD计算方法，包括如下步骤：

S1：采用两相不可压RANS作为控制方程，包括连续方程和动量方程；

S2：使用单相levelset方法处理自由面；

S3：使用有限体积法将计算域离散成一系列小单元，计算流场信息储存在网格单元重心；

S4：根据单元重心的插值得到单元表面的值；

S5：对单元表面的值求和得到单元体的体积积分；

S6：对于离散后得到的压力速度耦合方程，采用PISO隐式分离算法进行迭代求解，其中，每一时间步的计算包括动量预估、压力求解和速度修正，最终得到收敛的数值解。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明使用单相levelset方法处理自由面，相对于采用模型试验方法和势流理论计算得到的波形下求解的流场，本方法是隐式的跟踪运动界面，克服了一般波前追踪方法难于处理复杂界面，及其发生拓扑变形情况的弱点。而且计算一相流体的流场，另一相流体流动通过速度扩展方法确定流场速度，求解RANS方程的计算只在水中进行，在空气中只布置少许网格点满足界面跳跃条件，从而节省了大量的计算资源。

2、采用PISO隐式分离算法进行迭代求解：

与传统的SIMPLE方法相比，本文的PISO算法在SIMPLE法的每一个时间步添加了多步矫正的算法，其更适于非定常流动的计算，在每一时间步达到收敛的计算时间更少，且数值稳定性好，结果更加准确可靠。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实施例是一种预报船舶阻力的CFD计算方法，包括如下步骤：

S1：采用两相不可压RANS作为控制方程，包括连续方程和动量方程；

S2：使用单相levelset方法处理自由面；

S3：使用有限体积法将计算域离散成一系列小单元，计算流场信息储存在网格单元重心；

S4：根据单元重心的插值得到单元表面的值；

S5：对单元表面的值求和得到单元体的体积积分；

S6：对于离散后得到的压力速度耦合方程，采用PISO隐式分离算法进行迭代求解，其中，每一时间步的计算包括动量预估、压力求解和速度修正，最终得到收敛的数值解。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。