基于CFD预报船舶阻力的计算方法技术

本发明专利技术提供了一种基于CFD预报船舶阻力的计算方法，包括：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level set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。本发明专利技术方法使用CFD计算得到船舶在一定运营速度下的总阻力系数，进而通过简单的公式计算得到船舶总阻力。本方法高效准确，具备很强的工程实用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及船舶
，具体地，涉及一种对船舶阻力进行预报的计算方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于CFD的预报船舶阻力的计算方法，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，本专利技术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，使用本专利技术方法能更快、更准确的预报船舶的阻力。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：1、一种基于CFD的预报船舶阻力的计算方法，其特征包括：S1：采用两相不可压缩RANS方程作为控制方程，包括连续方程和动量方程；S2：使用SST k-ω两方程湍流模型封闭RANS方程；S3：使用单相level set方法处理自由面；S4：使用有限差分法离散计算域；S5：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。S6：作用在船体表面上的总阻力由船体表面所受应力沿船体湿表面的积分得到。所述S1，两相不可压缩RANS方程为： ▿ · U = 0 - - - ( 1 ) ]]> ∂ ρ U ∂ t + ▿ · ( ρ ( U - U g ) ) U = - ▿ p d - g · x ▿ ρ + ▿ · ( μ e f f ▿ U ) + ( ▿ U ) · ▿ μ e f f + f σ + f s - - - ( 2 ) ]]>其中：U代表速度场，Ug代表网格移动速度，pd为动压力，ρ为液体密度，g为重力加速度，μeff表示有效动力黏性，fσ为表面张力，fs为消波的源项。为了适应复杂物体形状，计算在曲线坐标系下进行，即控制方程由物理(x,y,z,t)域转化为计算域(ξ,η,τ)，则坐标转换后的连续方程和动量方程表达式如下： 1 J ∂ ∂ ξ j ( b i j U i ) = 0 - - - ( 3 ) ]]> ∂ U i ∂ τ + a U i k ∂ U i ∂ ξ k - 1 R e f f g i i ∂ 2 U i ∂ ξ i ∂ ξ j = - 1 J b i k ∂ P ∂ ξ k + s U i - - - ( 4 ) ]]>其中，J和分别是Jacobian系数和转化矩阵。所述S2，SST k-ω两方程为： ∂ k ∂ t 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于CFD预报船舶阻力的计算方法，其特征包括：S1：采用两相不可压缩RANS方程作为控制方程，包括连续方程和动量方程；S2：使用SST k‑ω两方程湍流模型封闭RANS方程；S3：使用单相level set方法处理自由面；S4：使用有限差分法离散计算域；S5：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。S6：作用在船体表面上的总阻力由船体表面所受应力沿船体湿表面的积分得到。

【技术特征摘要】
2015.09.28 CN 20151062635221.一种基于CFD预报船舶阻力的计算方法，其特征包括：S1：采用两相不可压缩RANS方程作为控制方程，包括连续方程和动量方程；S2：使用SST k-ω两方程湍流模型封闭RANS方程；S3：使用单相level set方法处理自由面；S4：使用有限差分法离散计算域；S5：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。S6：作用在船体表面上的总阻力由船体表面所受应力沿船体湿表面的积分得到。2.根据权利要求1所述的基于CFD预报船舶阻力的计算方法，其特征在于，所述S1，两相不可压缩RANS方程为：▽·U＝0 (1)其中：U代表速度场，Ug代表网格移动速度，pd为动压力，ρ为液体密度，g为重力加速度，μeff表示有效动力黏性，fσ为表面张力，fs为消波的源项。为了适应复杂物体形状，计算在曲线坐标系下进行，即控制方程由物理(x,y,z,t)域转化为计算域则坐标转换后的连续方程和动量方程表达式如下：其中，J和分别是Jacobian系数和转化矩阵。3.根据权利要求1所述的基于CFD预报船舶阻力的计算方法，其特征在于，所述S2，SST k-ω两方程为：▽k·n＝▽ω·n＝0 (8)其中，有效雷诺数及湍流产生项定义如下：k和ω的源项如下：sk＝Rk(-G+β*ωk) (9)(10)式中，F1是混合函数，用来表达k-ω模型和k-ε模型混合使用的情况，充分利用两种模型的优势，即k-ω模型在固体壁面处边界条件简单，k-ε模型对自由面边界条件没有依赖性，模型中的其他常量也是关于F1的函数，即φ＝F1φ1+(1-F1)φ2,φ1和φ2分别是标准k-ω模型和改进k-ε模型的常量。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙攀，李光，谢继荣，李伟杰，陈登，
申请(专利权)人：上海凌耀船舶工程有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31