一种计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法技术

本发明专利技术涉及一种计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法，该方法考虑船舶的气泡产生机理，标记气泡源网格，通过人工设定气泡源网格气泡浓度的方式实现气泡的多源并发，然后在数值上以新组分的形式代替气泡，根据雷诺输运定理建立气泡流动控制方程，最后求解船舶流动的基本方程和气泡流动控制方程。本发明专利技术突破了适用于船舶设计阶段的气泡流动评估技术，该技术能够用来评估船舶的气泡流动情况，为船舶气泡流动的优化设计提供支持。

A NUMERICAL METHOD FOR CALCULATING MULTI-SOURCE CONCURRENCE AND FLOW OF BUBBLE IN SHIP

The present invention relates to a numerical method for calculating multi-source concurrence and flow of bubbles in ships. The method considers the generation mechanism of bubbles in ships, marks the bubble source grid, realizes the multi-source concurrence of bubbles by artificially setting the bubble concentration in the bubble source grid, then replaces bubbles in the form of new components in numerical value, establishes the bubble flow control equation according to Reynolds transport theorem, and finally establishes the bubble flow The basic equations of ship flow and the control equations of bubble flow are solved. The invention breaks through the bubble flow assessment technology suitable for the ship design stage, which can be used to evaluate the bubble flow situation of the ship and provide support for the optimization design of the bubble flow of the ship.

【技术实现步骤摘要】
一种计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法
本专利技术涉及船舶水动力数值仿真
，具体涉及一种计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法。
技术介绍
船舶在航行过程中，海上的自然风浪、船艏兴波的破碎、吃水线附近的空气卷入等都会造成气泡混入水中，并随着水流进入船底影响船底声传感器的正常工作，最后在船艉形成尺度规模大于船舶本身的气泡艉流。在航海事故搜救工作中，通过卫星遥感等技术手段搜索船舶气泡流的方式能够快速发现事故船舶；而在军事领域，气泡流的存在又会暴露目标使得我方军舰处于危险境地，反之，也可利用气泡流的声学特征研制声学自导装置引导鱼雷攻击敌方军舰。可见，船舶的气泡问题具有十分重要的民用和军事价值。对于已经投入使用的船舶而言，其气泡流动的探测技术已经取得很好的发展，比如欧美国家已经开发出了以船舶气泡流动为搜索目标的自导攻击鱼雷，船舶气泡流动的激光探测技术和卫星遥感技术也已取得了一定的成果。对于设计阶段的新船，需要采用一定的技术手段对新船的气泡流动情况进行评估，以便于对出现有害气泡流动问题的设计方案进行修正。但是，目前船舶行业在设计阶段很少考虑船舶的气泡流动问题；学术界对这一问题的研究也比较少，主要集中于单个或多个气泡上浮过程的研究，其气泡数量与实际船舶的气泡规模根本不在一个数量级上，所以不适用于实际船舶气泡问题的研究。可见，在船舶设计过程中缺少船舶气泡流动情况的评估技术。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的船舶设计中缺少船舶气泡流动评估技术的不足，提供一种计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法，通过人工设定气泡源网格气泡浓度的方式实现气泡的多源并发，通过气泡流动控制方程模拟船舶气泡的流动，能够用来评估船舶的气泡流动情况，为船舶气泡流动的优化设计提供支持。本专利技术为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：一种计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法，该方法包括以下步骤：S1、采用实尺度建立船舶流体域几何模型，并对多气泡源进行标记；S2、气泡多源并发的数值实现，包括以下分步：1)根据气泡源的标记情况，将流体域分成若干个部分，假设共标记了n个气泡源，每一个气泡源作为一个部分，剩余部分即为主流体域部分，那么流体域被分成n+1个部分；2)在数值上采用新组分代替气泡，以新组分的体积分数表示气泡在水中的浓度，根据母型船气泡流动的测量数据确定不同位置处气泡源的气泡浓度，然后据此设定每一个气泡源网格中新组分的体积分数，其中新组分为人为定义的一种物质成分，代替气泡，便于实施数值模拟。3)采用Fluent的DEFINE_ADJUST函数宏以及宏命令C_VOF和THREAD_SUB_THREAD，以UDF语言编写气泡多源并发的程序，然后通过编译生成可执行程序，并在Fluent中加载，从而在每次迭代之后将气泡源网格中心处新组分的体积分数重新设定为母型船气泡浓度的测量值，使气泡源网格中新组分的体积分数在整个计算过程中保持为定值，从而达到气泡源源不断涌出的仿真效果；S3、根据雷诺输运定理建立多源并发气泡的流动控制方程；S4、求解船舶流动基本方程和气泡流动控制方程；S5、船舶气泡流动情况的评估：将上一步骤计算得到的船舶气泡瞬态流动的计算结果进行后处理，以组分体积分数等值面的形式提取各个气泡源的气泡在船舶附近的空间分布情况，以便于评估船舶气泡流动情况；并在传感器安装部位建立参考面，提取各个气泡源的气泡浓度在参考面上分布的云图，用来判定气泡浓度是否达到了影响传感器正常工作的极限值。上述方案中，步骤S1中，在以下位置对气泡源进行标记：①船艏吃水线顶点处，标记点源；②船艏吃水线两侧对称分布点，标记点源；③船舶正前方与船艏分开一点距离处，标记层源；位置①用来标记船艏吃水线顶点附近波浪破碎产生的气泡和空气卷入产生的气泡；位置②用来标记船艏兴波向船艉传递过程中波浪破碎和空气卷入船底产生的气泡；位置③用来标记海面及水下一定深度的位置由于自然风浪引起的水中气泡。上述方案中，步骤S1中，气泡源的标记包括以下两个分步：a)气泡源的几何标记：在船舶流体域几何模型中添加多个封闭的六面体几何，以标记不同位置的气泡源；b)气泡源的网格标记：在上述已完成多个气泡源几何标记的船舶流体域几何的基础上，以六面体单元划分网格，确保每一个气泡源的六面体几何都以若干个六面体网格单元填满，且在流场网格生成过程中合理设置船舶表面附近的边界层网格的尺寸以提高计算精度。上述方案中，步骤S3中，多源并发气泡的流动控制方程的建立包括以下分步：1)以新组分代替气泡来模拟气泡流动，新组分从气泡源涌出以后随着水流流动，在流场中任意一点，所有组分(包括水)的体积分数之和为1，在流动过程中流场中的所有组分均需满足雷诺输运定理，以各个组分的体积分数为变量，建立各个组分的流动控制方程如下：式中：ρi是第i个组分的密度；t是流动时间；αi是第i个组分的体积分数；ui是第i个组分流速向量；是第i个组分和第j个组分之间的质量输运；N是流场中组分的总个数；2)为了提高计算的稳定性，采用有限体积方法，以一阶隐式格式对各个组分的流动控制方程(1)进行离散，如下：式中：上标n+1表示当前时间步；上标n表示前一时间步；V表示有限控制体的体积，即流场网格单元的体积；f表示有限控制体的表面；表示当前时间步有限控制体表面的流速；表示当前时间步有限控制体表面第i个组分的体积分数。上述方案中，步骤S4中，船舶流动基本方程及气泡流动控制方程的求解方法为：采用Fluent的CoupledMethod算法，首先求解流动的连续性和动量守恒方程，然后求解能量守恒方程、湍动能和湍动耗散率的输运方程，最后求解气泡流动控制方程(2)，反复迭代直到流场流速、压力等变量计算结果收敛，至此完成一个时间步的流动计算；对每一时间步的流动进行计算即可完成船舶气泡整个流动过程的数值计算。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术突破了适用于船舶设计阶段的气泡流动评估技术，该技术能够用来评估船舶的气泡流动情况，为船舶气泡流动的优化设计提供支持。2、本专利技术以成熟的CFD商业软件为基础，通过二次开发来实现气泡流动计算，而且气泡源的气泡浓度以母型船测量值为参考来设定，可见本专利技术的准确性是有保证的。3、本专利技术借助现有商业软件实现，二次开发程序比较简单且易于实现，所以具有很好的通用性和便捷性。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法的流程图；图2、图3是本专利技术实施例中多气泡源标记示意图；图4、图5是本专利技术实施例中气泡流动的示意图；图6是本专利技术实施例计算的气泡体积分数的云图。图中：10、第一点源；20、第二点源；30、第一层源；40、第二层源；50、参考面。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。如图1所示，为本专利技术计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法的流程图，根据该流程图对大洋2号民用船舶的气泡流动情况进行计算，具体包括以下步骤：S1、根据图纸，采用实尺度建立船舶流体域几何模型，流体域进口距离船艏5倍船长，流体域出口距离船艉10倍船长，流体域上下左右四个端面距离船舶5倍型宽，然后对多气泡源进行标记。水中的气泡主要是由于海上自然本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、采用实尺度建立船舶流体域几何模型，并对多气泡源进行标记；S2、气泡多源并发的数值实现，包括以下分步：1)根据气泡源的标记情况，将流体域分成若干个部分，假设共标记了n个气泡源，每一个气泡源作为一个部分，剩余部分即为主流体域部分，那么流体域被分成n+1个部分；2)在数值上采用新组分代替气泡，以新组分的体积分数表示气泡在水中的浓度，根据母型船气泡流动的测量数据确定不同位置处气泡源的气泡浓度，然后据此设定每一个气泡源网格中新组分的体积分数，其中新组分为人为定义的一种物质成分，代替气泡，便于实施数值模拟。3)采用Fluent的DEFINE_ADJUST函数宏以及宏命令C_VOF和THREAD_SUB_THREAD，以UDF语言编写气泡多源并发的程序，然后通过编译生成可执行程序，并在Fluent中加载，从而在每次迭代之后将气泡源网格中心处新组分的体积分数重新设定为母型船气泡浓度的测量值，使气泡源网格中新组分的体积分数在整个计算过程中保持为定值，从而达到气泡源源不断涌出的仿真效果；S3、根据雷诺输运定理建立多源并发气泡的流动控制方程；S4、求解船舶流动基本方程和气泡流动控制方程；S5、船舶气泡流动情况的评估：将上一步骤计算得到的船舶气泡瞬态流动的计算结果进行后处理，以组分体积分数等值面的形式提取各个气泡源的气泡在船舶附近的空间分布情况，以便于评估船舶气泡流动情况；并在传感器安装部位建立参考面，提取各个气泡源的气泡浓度在参考面上分布的云图，用来判定气泡浓度是否达到了影响传感器正常工作的极限值。...

【技术特征摘要】
1.一种计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、采用实尺度建立船舶流体域几何模型，并对多气泡源进行标记；S2、气泡多源并发的数值实现，包括以下分步：1)根据气泡源的标记情况，将流体域分成若干个部分，假设共标记了n个气泡源，每一个气泡源作为一个部分，剩余部分即为主流体域部分，那么流体域被分成n+1个部分；2)在数值上采用新组分代替气泡，以新组分的体积分数表示气泡在水中的浓度，根据母型船气泡流动的测量数据确定不同位置处气泡源的气泡浓度，然后据此设定每一个气泡源网格中新组分的体积分数，其中新组分为人为定义的一种物质成分，代替气泡，便于实施数值模拟。3)采用Fluent的DEFINE_ADJUST函数宏以及宏命令C_VOF和THREAD_SUB_THREAD，以UDF语言编写气泡多源并发的程序，然后通过编译生成可执行程序，并在Fluent中加载，从而在每次迭代之后将气泡源网格中心处新组分的体积分数重新设定为母型船气泡浓度的测量值，使气泡源网格中新组分的体积分数在整个计算过程中保持为定值，从而达到气泡源源不断涌出的仿真效果；S3、根据雷诺输运定理建立多源并发气泡的流动控制方程；S4、求解船舶流动基本方程和气泡流动控制方程；S5、船舶气泡流动情况的评估：将上一步骤计算得到的船舶气泡瞬态流动的计算结果进行后处理，以组分体积分数等值面的形式提取各个气泡源的气泡在船舶附近的空间分布情况，以便于评估船舶气泡流动情况；并在传感器安装部位建立参考面，提取各个气泡源的气泡浓度在参考面上分布的云图，用来判定气泡浓度是否达到了影响传感器正常工作的极限值。2.根据权利要求1所述的计算船舶气泡多源并发及流动的数值方法，其特征在于，步骤S1中，在以下位置对气泡源进行标记：①船艏吃水线顶点处，标记点源；②船艏吃水线两侧对称分布点，标记点源；③船舶正前方与船艏分开一点距离处，标记层源；位置①用来标记船艏吃水线顶点附近波浪破碎产生的气泡和空气卷入产生的气泡；位置②用来标记船艏兴波向船艉传递过程中波浪破碎和空气卷入船底产生的气泡；位置③用来标记海面及水下...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲继泽，谢志强，王春旭，沈渡，范明伟，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：湖北,42