一种三维数字船模虚拟阻力实验方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种三维数字船模虚拟阻力试验方法及系统，属于水面舰船阻力性能实验领域。该方法包括：(1)建立船模数字模型和船模数字模型所处的流场计算域；(2)在数字船模周围的流场计算域内布置全结构化的六面体网格，离散流场计算域；(3)设定边界条件，划分六面体网格模拟船模数字模型的带自由面运动和非自由面运动，测得船模数字模型的兴波阻力系数和粘性阻力系数；(4)由兴波阻力系数和粘性阻力系数得到船舶的总阻力系数以及流场计算域内的流场信息；(5)对流场信息进行流体动力分析，得到船舶自由面波高分布曲线和船舶自由面兴波分布云图。本发明专利技术的方法及系统能够为船舶的设计和优化提供可靠的水动力数据和流场信息。

A Method and System for Virtual Resistance Experiment of Three-Dimensional Digital Ship Model

【技术实现步骤摘要】
一种三维数字船模虚拟阻力实验方法及系统
本专利技术属于水面舰船阻力性能实验领域，更具体地，涉及一种三维数字船模虚拟阻力实验方法及系统。
技术介绍
船舶水动力性能的研究是船舶综合航行性能预报技术的基础，也是新型船舶研究开发首先需要解决的关键问题之一。船舶的水动力性能包含多个方面，涉及多个学科领域，其中船舶阻力是水动力性能中的重要性能之一。阻力性能的优劣，对民用船舶来说将在一定程度上影响船舶的使用性和经济性，对军用舰艇而言，阻力性能与提高舰艇的作战性能密切相关。船舶阻力预报是船舶水动力学的难点之一，随着计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)的发展，CFD方法在水动力性能预报方面的应用日益广泛。CFD虚拟实验相比模型实验来说具有其独特的优势，它可以很方便地提供船体周围流场的各种信息，便于研究者分析各种水动力现象的内在原因。尽管近年水动力学方法和计算技术有长足进展，但迄今尚未有较成熟可靠的理论。就粘性理论而言，就存在多种湍流模式，计算结果也很大程度上依赖于网格数目和划分方法、收敛的控制、使用者的技巧等因素，还有针对不同的船型，其CFD方法也会有所不同。众多国际船舶水动力学学术会议包括ITTC并未给出各船型阻力CFD预报的指南性文件供研究者参考。所以，船舶阻力性能CFD预报方法的统一性和标准化有待学者们进一步的研究。在此之前，则需要一种可靠的船舶阻力CFD虚拟实验方法作为参考。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种三维数字船模虚拟阻力实验方法及系统，其目的在于，通过构建数字船模和三维虚拟数值水池，采用全结构化的六面体网格离散流场计算域，运用运动微分方程和VOF自由面方程建立船舶自由面运动数学模型，运用雷诺平均方程建立船舶非自由面运动数学模型，实现船舶各阻力成分和详细流场信息的虚拟测量，从而提供一种可靠的船舶阻力CFD虚拟实验方法。为了实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种三维数字船模虚拟阻力试验方法，包括如下步骤：(1)建立船模数字模型和船模数字模型所处的流场计算域；(2)在数字船模周围的流场计算域内布置全结构化的六面体网格，离散流场计算域；(3)设定边界条件，采用基于完全结构化网格的有限体积法，在步骤(2)划分的六面体网格基础上模拟船模数字模型的带自由面运动和非自由面运动，分别测得船模数字模型的兴波阻力系数和粘性阻力系数；(4)由兴波阻力系数和粘性阻力系数得到船舶的总阻力系数，以及流场计算域内的流场信息；船舶的总阻力系数为兴波阻力系数与粘性阻力系数之和；(5)对步骤(4)的流场信息进行流体动力分析，得到船舶自由面波高分布曲线和船舶自由面兴波分布云图。进一步地，步骤(1)中船模数字模型和流场计算域各建立两个，一个用于测量兴波阻力系数，另一个用于测量粘性阻力系数。进一步地，步骤(3)中，基于理想流体运动微分方程和VOF自由面方程构建船模数字模型的自由面运动数学模型，模拟船模数字模型的带自由面运动。进一步地，基于理想流体运动微分方程和VOF自由面方程构建船模数字模型的自由面运动数学模型如下：式中，ρ为流体的密度，t为时间，u、v、w分别为x、y和z方向的速度分量，fx、fy、fz分别为x、y和z方向的质量力，p为流体压力，a1、a2分别为空气相、水相的体积分数，为偏导运算符。进一步地，步骤(3)中，采用雷诺平均方程实现船模阻力实验进行的非自由面运动模拟。进一步地，基于粘性流体运动基本方程构建船模非自由面运动数学模型：式中，ρ为流体的密度，t为时间，ui和uj为流体的时均速度，ui′和u′j为流体的脉动速度，为雷诺应力项，是流体脉动速度乘积的时均值，μ为流体动力粘性系数，Si为流体质量力，p为流体压力，下标i、j＝x、y、z分别表示x、y、z方向，xi、xj为流体在i、j方向上的位移，为偏导运算符。进一步地，步骤(1)中建立船舶数字模型的步骤如下：1.1.1在三维空间中将船舶二维型线图展开，得到船舶三维空间型线图；1.1.2以横剖面线为轮廓线，以中纵面线和甲板边线为引导线，生成船体曲面；1.1.3对船体曲面的光顺性和连续性进行修整，生成数字船模三维曲面。进一步地，步骤(1)中建立船模数字模型所处的流场计算域的方法如下：(1.2.1)虚拟数值水池大小确定：先假设一个足够大的计算空间，计算船舶高速运动下的完整流场，通过分析流场波动所延伸的区域，以流场波动停止的位置来界定初步计算域的大小，然后在初步计算域附近选取若干个位置，通过计算船舶受到的流体阻力在这些位置上的收敛性来确定最终计算域；其中，选取的位置决定了流场计算域的大小，当流场计算域扩大至某一位置后，随着流场计算域的进一步扩大，得到的流体阻力大小不再波动，则表示船舶受到的流体阻力在该位置收敛，将此时的流场计算域确定为最终计算域；(1.2.2)根据最终计算域确定虚拟数值水池边界条件设置：对于带自由面运动模型，其边界条件如下：空气域和水域的来流进口均设为速度入口条件，下游出口也均设为速度入口或压力出口条件，计算域上表面设为速度入口条件，侧面和底面设为壁面条件，船体表面设为壁面条件，中心对称面设为对称条件；对于非自由面运动模型，其边界条件如下：来流进口设为速度入口条件，下游出口也设为速度入口或压力出口条件，计算域上表面设为对称条件，侧面和底面设为壁面条件，船体表面设为壁面条件，中心对称面设为对称条件；步骤(3)中的边界条件即按照步骤(1.2.2)确定的边界条件设置。进一步地，步骤(2)中的全结构化的六面体网格划分方法为：(2.1)创建流场计算域的整体三维Block，并且建立远场曲线与对应Block的边的映射关系；(2.2)按坐标轴的方向逐个划分Block：首先在船模数字模型的船体周围划分出一个长方体Block将船体包围，然后在长方体Block中构造L-Block，勾勒出船体形状；(2.3)船模数字模型的船首区域Block的划分：将船首附近的BLOCK进行细化，然后沿着船首轮廓线寻找邻近Block的边与之关联，勾勒出船首拓扑结构；其中，对于圆弧轮廓线处，进行O-Block划分；(2.4)船模数字模型的尾部区域Block的划分：将船尾的尾封板下方空白区域的BLOCK进行细化，然后寻找邻近船尾轮廓线的BLOCK，将其边与轮廓线关联；其中，每个BLOCK只能位于船体表面的一侧，而不能贯穿船体表面，从而勾勒出尾部区域的拓扑结构；在尾封板轮廓线、桨轴处轮廓线和桨轴上方处轮廓线的位置进行O-Block划分；(2.5)删除船体内部多余的Block，得到表征整个流场计算域的块；将整个计算域几何形状的点、线、面与块的顶、边、面关联，得到最终的计算域拓扑结构；(2.6)网格节点布置：分别定义计算域拓扑结构中各相关边的节点参数，包括节点数、节点分布律；其中，节点总体分布规律是：由近场到远场，网格分布由密到稀；存在自由面时，自由面处网格加密；以无因次参数y+来表示船体表面第一层网格节点的高度，y+计算公式如下：式中，y为第一层网格节点距离船体表面的实际高度，L为船长，Re为雷诺数。为了实现上述目的，按照本专利技术的另一个方面，提供了一种三维数字船模虚拟阻力试验系统，包括处理器以及三维数字船模虚拟阻力试验程序模块，所述三维数字本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维数字船模虚拟阻力试验方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立船模数字模型和船模数字模型所处的流场计算域；(2)在数字船模周围的流场计算域内布置全结构化的六面体网格，离散流场计算域；(3)设定边界条件，采用基于完全结构化网格的有限体积法，在步骤(2)划分的六面体网格基础上模拟船模数字模型的带自由面运动和非自由面运动，分别测得船模数字模型的兴波阻力系数和粘性阻力系数；(4)由兴波阻力系数和粘性阻力系数得到船舶的总阻力系数，以及流场计算域内的流场信息；船舶的总阻力系数为兴波阻力系数与粘性阻力系数之和；(5)对步骤(4)的流场信息进行流体动力分析，得到船舶自由面波高分布曲线和船舶自由面兴波分布云图。

【技术特征摘要】
1.一种三维数字船模虚拟阻力试验方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立船模数字模型和船模数字模型所处的流场计算域；(2)在数字船模周围的流场计算域内布置全结构化的六面体网格，离散流场计算域；(3)设定边界条件，采用基于完全结构化网格的有限体积法，在步骤(2)划分的六面体网格基础上模拟船模数字模型的带自由面运动和非自由面运动，分别测得船模数字模型的兴波阻力系数和粘性阻力系数；(4)由兴波阻力系数和粘性阻力系数得到船舶的总阻力系数，以及流场计算域内的流场信息；船舶的总阻力系数为兴波阻力系数与粘性阻力系数之和；(5)对步骤(4)的流场信息进行流体动力分析，得到船舶自由面波高分布曲线和船舶自由面兴波分布云图。2.根据权利要求1所述的三维数字船模虚拟阻力试验方法，其特征在于，步骤(1)中船模数字模型和流场计算域各建立两个，一个用于测量兴波阻力系数，另一个用于测量粘性阻力系数。3.根据权利要求1或2所述的三维数字船模虚拟阻力试验方法，其特征在于，步骤(3)中，基于理想流体运动微分方程和VOF自由面方程构建船模数字模型的自由面运动数学模型，模拟船模数字模型的带自由面运动。4.根据权利要求3所述的三维数字船模虚拟阻力试验方法，其特征在于，基于理想流体运动微分方程和VOF自由面方程构建船模数字模型的自由面运动数学模型如下：式中，ρ为流体的密度，t为时间，u、v、w分别为x、y和z方向的速度分量，fx、fy、fz分别为x、y和z方向的质量力，p为流体压力，a1、a2分别为空气相、水相的体积分数，为偏导运算符。5.根据权利要求1或2所述的三维数字船模虚拟阻力试验方法，其特征在于，步骤(3)中，采用雷诺平均方程实现船模阻力实验进行的非自由面运动模拟。6.根据权利要求5所述的三维数字船模虚拟阻力试验方法，其特征在于，基于粘性流体运动基本方程构建船模非自由面运动数学模型：式中，ρ为流体的密度，t为时间，ui和uj为流体的时均速度，ui′和u′j为流体的脉动速度，为雷诺应力项，是流体脉动速度乘积的时均值，μ为流体动力粘性系数，Si为流体质量力，p为流体压力，下标i、j＝x、y、z分别表示x、y、z方向，xi、xj为流体在i、j方向上的位移，为偏导运算符。7.根据权利要求1所述的三维数字船模虚拟阻力试验方法，其特征在于，步骤(1)中建立船舶数字模型的步骤如下：1.1.1在三维空间中将船舶二维型线图展开，得到船舶三维空间型线图；1.1.2以横剖面线为轮廓线，以中纵面线和甲板边线为引导线，生成船体曲面；1.1.3对船体曲面的光顺性和连续性进行修整，生成数字船模三维曲面。8.根据权利要求1或7所述的三维数字船模虚拟阻力试验方法，其特征在于，步骤(1)中建立船模数字模型所处的流场计算域的方法如下：(1.2.1)虚拟数值水池大小确定：先假设一个足够大的计算空间，计算船舶高速运动下的完整流场，通过分析流场波动所延伸的区域，以流场波动停止的位置来界定初...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙江龙，涂海文，张磊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42