[发明专利]基于动网格技术船随波浪在航线方向上运动模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于动网格技术船随波浪在航线方向上运动模拟方法，包括：采用CFD的基本控制方程、建立湍流模型、建立VOF模型、采用动网格技术、船在明渠流中航行的计算模型、船舶在明渠流中航行的仿真策略等步骤。本发明通过模拟明渠流二阶Stoke波，得到波面的时间历程图像，实现了波浪的生成、传播、变形、消波的过程。

主权项

1.一种基于动网格技术船随波浪在航线方向上运动模拟方法，其特征是：包括下列步骤：(1)采用CFD的基本控制方程：质量守恒方程(1)、动量守恒方程(2)和能量守恒方程(3)；其中ρ是密度，t是时间，u是速度矢量，S_u、S_v和S_w是动量守恒方程的广义源项，其中，u、v和w分别是速度矢量u在x、y和z方向上的分量，μ是动力粘度，λ为第二粘度；对于粘性为常数的不可压缩流体，源项为零；T表示温度，k表示流体传热系数，c_p表示比热容，S_T表示粘性耗散热，对于不可压缩流体，热交换量较小，可忽略不计；(2)建立湍流模型考虑到船在航行时海水密度变化很小，不会对流体流动产生突出的影响，则不可压缩流体运用时均运算法则得到Reynolds平均Navier‑Stokes方程为：其中ρ是密度，t是时间，μ是动力粘度，p为压强，S_i是广义源项，v流体流动真实速度，为平均速度，v’为真实流动速度与平均速度之差；(3)建立VOF模型VOF模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟两种或三种不能混合的流体；船在海上行驶时，分界面处有气体和液体两相流，通过VOF方法来对水和空气界面进行分析求解；由于流体有连续性，可将流体看作由无数微小的单元组成的连续介质，通过空间坐标和时间函数，可以数学描述出流体的各项物理量；通过VOF方法的计算，得到每个相的各个单元体积分数的连续性方程，就可模拟多相混合流体的自由表面；(4)采用动网格技术动网格是用来模拟因为流体域边界发生刚性运动，亦或是边界发生变形而导致流体域随着时间变化发生形变的流动问题，船体在FLUENT中的定义可以通过用户自定义函数UDF文件来定义船体的刚体运动；船舶随着明渠流运动，在边界处会发生变形，则网格会发生变化，因而必须采用动网格中的平滑和重构技术，产生新的网格；在任意一个控制体中，广义标量Φ的积分守恒方程为[12]：式中，ρ为密度；u为速度流量；u_g为移动网格的网格速度；Γ为扩散系数；S_Φ为源项；为控制体V的边界；式(6)‑式(9)中的时间导数项；可以用一阶向后差分格式写成：式中，n和n+1为不同的时间层；n+1层上的Vⁿ⁺¹由式(7)计算：式中，dV/dt是控制体的时间导数；为了满足网格守恒定律，控制体的时间导数由式(8)计算：式中，n_f为控制体积的面网格数；A_j为面j的面积向量；点乘u_g,j○A_j由式(9)计算：式中，δV_j为控制体积面j在时间间隔Δt中扫过的空间体积；(5)船在明渠流中航行的计算模型假设船在明渠流海面上航行，建立以船为中心，即船始终位于坐标O点，以航线的方向为x轴的右手坐标系，即船的正左方是y轴，正上方是z轴，其形状特征分别由船长L、船宽B_L和型深D三个参数描述，数学表达式如下：其中的参数值为:Wigley船模参数表船长L(m)船宽B_L(m)型深D(m)20.20.125本模型中，整个计算域为二维长方形，长为14米，宽4米，入口设为速度入口，出口为压力出口，上下界面设为对称边界；利用GAMBIT对流场区域进行非结构网格划分，为确保边界层内流动特性的良好捕捉，因而采用不等距网格划分，且在气液分界面处进行适当网格加密；(6)船舶在明渠流中航行的仿真策略采用ANSYS FLUENT软件对船随波浪运动进行数值模拟，在航行时，船体边界运动规律是未知的，且会与周围流场产生耦合，因而编写UDF文件来定义船体的转动惯量，且打开船舶的横摇自由度对船体浮态进行模拟；对自由液面的模拟和跟踪采用VOF方法，此方法通过计算每个网格单元的液体体积分数构造运动界面，进而确定自由面位置，具有较高的分辨率和精度；船舶在波浪中航行的数值模拟，需进行数值波浪的制造和边界产生的反射波的消除；采用明渠流的二阶Stoke波进行数值造波；消波采用数值海滩模型；船舶在海上运动是瞬态非稳定过程，湍流模型采用对逆压梯度流场捕捉较好地SST K‑W模型进行仿真；根据Wigley船模型，利用GAMBIT画出计算域以及船的计算域网格图，并将其导入FLUENT，模拟二阶stoke波，进而模拟Wigley船在此二阶stoke波下的运动情况。