[发明专利]一种用于船舶数值水池的高效兴波方法

说明书

本发明涉及一种用于船舶数值水池的高效兴波方法，根据轨圆运动理论确定流场进口的兴波流速公式，通过二次开发程序实现船舶流场进口处流速的时空变化，以水的体积分数为变量，建立水与空气之间的组分输运方程，最后求解船舶流场及组分输运方程。本发明通过水动力学的轨圆运动理论实现数值兴波，能够计算波浪条件下的船舶水动力系数，为船舶水动力性能及耐波性的评估提供支持；本发明的技术方案是在理论分析的基础上提出的，不受船舶类型的限制，所以本发明适用于任意一种类型的水面船舶。

技术领域

本发明涉及船舶水动力分析技术领域，具体涉及一种用于船舶数值水池的高效兴波方法。

背景技术

优异的水动力性能可以显著提高船舶的经济性，而船舶水动力性能的设计、评估和优化都离不开船舶的水池拖拽实验。传统的物理水池实验通常需要设计系列船模，成本高，周期长；由于尺度效应的存在，使得船模实验数据难以完全符合实船的流动情况；另外，由于测量技术自身的限制，难以准确测量船模附近的复杂流场，同时测试设备的布置也会对船模流场造成干扰。

随着计算流体动力学方法(CFD)的快速发展，目前采用CFD方法模拟船舶水池的技术已成为目前船舶水动力学设计、评估和优化的前沿技术。船舶数值水池比物理水池费用低，可以采用实尺度模型进行计算，从而避开缩尺效应，而且能够实时捕捉船舶附近的复杂流动情况。

目前的船舶数值水池技术多采用动量源兴波法以及基于动网格的摇板兴波法，前者需要额外得求解波面方程，后者需要求解额外的流场网格变形控制方程，这都给船舶流场计算增加了负担，所以目前的船舶数值水池技术存在计算效率偏低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的船舶数值水池技术效率偏低的问题，提供一种用于船舶数值水池的高效兴波方法，它能够更加高效地计算波浪条件下的船舶水动力系数，为船舶水动力性能及耐波性的评估提供支持。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种用于船舶数值水池的高效兴波方法，通过水动力学的轨圆运动理论实现数值兴波，能够计算波浪条件下的船舶水动力系数，为船舶水动力性能及耐波性的评估提供支持，它包括以下步骤：

S1、确定兴波流速公式：根据轨圆运动理论确定船舶流场进口的兴波流速的计算公式；

S2、编程实现流场进口流速时空变化：对兴波流速公式进行坐标化改造，得到表征流场进口流速的时空变化规律的公式，再通过CFD软件中的二次开发程序将该公式改写成代码形式，然后将该代码进行编译形成可执行程序，并在CFD软件中加载该程序以设定流场的速度进口边界条件；

S3、建立基于水体积分数的组分输运方程：以水的体积分数为变量，根据流体力学理论中的雷诺输运定理，构建水与空气之间的组分输运方程；

S4、求解船舶流场及组分输运方程；

S5、提取波浪面及计算船舶水动力系数：将计算结果导入CFD软件中提取波浪面，并提取船舶表面的流体压力和粘性剪切力，通过数值积分的方式计算船舶水动力值，然后根据相关水动力理论即可计算得到船舶的水动力系数值。

上述方案中，步骤S1确定的船舶流场进口的兴波流速的计算公式为：

式中，V表示水质点由于波浪运动产生的速度向量；V_L表示水质点在波浪传播方向的速度分量；V_A表示水质点在波浪传播方向的垂直方向的速度分量；A是波浪的波幅；D是水质点在水下的深度；L是波浪的波长；T表示水质点的运动周期；θ是用于标记水质点在轨圆上的位置。

上述方案中，步骤S2中得到的表征流场进口流速的时空变化规律的公式为：