KCS基准船模绕流场数值模拟不确定度分析.pdf
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1、 第 卷 第 期江苏船舶.年 月.基准船模绕流场数值模拟不确定度分析陈 凯朱仁庆夏志平洪智超(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院江苏 镇江)摘 要:基于/软件对典型标模 进行静水阻力性能及周围粘性流场数值模拟分析湍流模型、网格尺度、时间步长、边界层设置等对数值模拟预报精度的影响并应用 方法对网格进行数值不确定度分析通过比较数值计算结果与试验得出总阻力系数 结果表明:湍流模型、网格尺度、边界层设置对数值模拟结果有不同程度的影响而时间步长对数值模拟的影响可以忽略不计关键词:静水阻力数值模拟不确定度中图分类号:.文献标志码:./.引言船舶阻力是船舶重要性能之一 随着计算机技术的飞速发展及数值计算方法的
2、不断成熟数值预报船舶阻力已经成为现实其中数值模拟的可靠性和精度是其关键 吴乘胜等研究了不同方向上的网格对船模阻力和兴波的影响得出 个方向上的不确定度是不同的 邹璐对浅水中做斜航运动的船舶粘性绕流场进行数值模拟对计算域尺度、湍流模型、边界条件等模型误差影响因素进行探讨为改进计算模型、提高数值模拟精度提供参考依据杜云龙等对油船船模数值计算中全局网格尺度、首尾网格尺度、时间步长和边界层网格高度等参数进行调整发现网格尺度和时间步长对船模阻力数值计算结果不会产生较明显的变化边界层网格高度对船模阻力计算精度有较明显的影响 张立等研究了不同 值、不同网格密度对静水阻力数值结果的影响但其 值取值较为宽泛网格密
3、度对自由液面的捕捉有待提高伴随水动力学理论和数值计算方法的不断发展人们也越来越青睐数值模拟但仍然对其准确度存在质疑因此对其准确度的评估也就随之展开国际船模拖曳水池会议()对于 不确定度分析的一般方收稿日期:基金项目:基准船型多工况精细流场测试技术研究(工信部装函 号文)作者简介:陈凯()男硕士研究生从事船舶与海洋结构物流体力学性能研究法和步骤给出了详细的描述 张楠等探讨了网格对阻力和流场的影响完成了验证和确认过程尝试了 不 确 定 度 分 析 的 一 般 方 法 和 途 径采用 套网格模拟了()的自由表面流动按照 给出的推荐程序对阻力和波浪剖面进行了验证和确认 洪智超提出基于正交试验的一种可考
4、虑因子间交互作用的多因子 不确定度分析方法并且运用到船舶静水阻力预报的不确定度分析中 等采用 种最常用的不确定度分析方法对 种不同船型阻力、下沉和纵倾结果进行了不确定度分析本文基于/软件对 基准船模静水阻力性能进行数值预报研究分析船舶静水阻力数值计算中影响较大的因素 数值模拟.数学模型采用 粘流模型流场中控制方程为不可压缩流体的连续性方程和动量方程 连续方程为式中:为速度在 个方向上的分量为速度在 个方向上的坐标动量方程为()()式中:为速度在 个方向上的分量为 方向质量力 为流体密度 为压强为速度在 个方向上的坐标 江 苏 船 舶第 卷.离散方法利用/软件包中的 求解器对微分方程离散采用在时
5、空上是完全隐式的有限体积法形式上具有二阶的空间和时间精度默认采用中心差分()格式离散湍流及动量方程 对于自由液面的捕捉采用基于混合界面捕捉方案与重构()捕捉空气水界面的自由液面捕捉法可压缩型离散格式 可以减小自由液面附近构成函数的数值扩散.计算域及边界条件设置坐标原点为艏垂线、舯纵剖面和设计吃水平面的交点 轴指向船尾为正 轴指向右舷为正 轴垂直向上 为了减小计算量所有约束模算例都是对半船进行计算 计算域的选取依据 推荐的范围:入口边界距离船首.(为垂线间长)出口边界远离船体.侧面采用对称性船体安置在计算域中央离对称面.底部到静水面的距离.静水面距离顶部.计算域见图 入口和出口分别设置为远场边界
6、条件顶部和底部设置为压力入口边界条件侧面边界条件设置为远场边界条件 船体和舵表面采用壁面函数条件满足壁面无滑移假定甲板部分采用滑移壁面甲板在所有模拟时间内都暴露在空气中与在水中相比空气中的相对粘度效应可以忽略图 计算域 研究对象计算对象是某 集装箱船 其船型参数见表 船体几何模型见图 计算结果及分析.湍流模型的选取近年来随着湍流模型的改进和发展有研究表明在开放升沉和纵倾的自由模绕流场数值计算中基于双方程模型且具有内建湍流涡粘性的 模型要优于 模型 对于哪种湍流模型更适用于约束模绕流场的数值模拟仍有待进一步对比分析 由于只有设计航速下公开的约束模试验数据因此本文对 .航速下 和 这 种湍流模型对
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