魏可可，高霄鵬

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系,武漢　430033)

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【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

基于STAR-CCM+對(duì)5415船模的阻力預(yù)報(bào)

魏可可，高霄鵬

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系,武漢430033)

以5415船模為研究對(duì)象，介紹了STAR-CCM+對(duì)5415船模的數(shù)值仿真過(guò)程，對(duì)該船模的阻力、升沉及橫傾角進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與現(xiàn)有的試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了STAR-CCM+對(duì)該船型在靜水運(yùn)動(dòng)中數(shù)值模擬的有效性；研究表明：總阻力系數(shù)、剩余阻力系數(shù)都是隨Fr增大而增大，當(dāng)Fr<0.35時(shí)，增長(zhǎng)緩慢，當(dāng)Fr>0.35時(shí)，增長(zhǎng)迅速；同時(shí)在Fr=0.35時(shí)，橫傾角發(fā)生了顯著的變化，F(xiàn)r=0.35是該船模靜水阻力性能發(fā)生變化的分界點(diǎn)。

5415標(biāo)模；深沉；STAR-CCM+；Fr本文引用格式：魏可可，高霄鵬.基于STAR-CCM+對(duì)5415船模的阻力預(yù)報(bào)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(9):157-161.

船舶的快速性是船舶諸性能(如浮性、穩(wěn)性、抗沉性、快速性、耐波性、操縱性等)的重要性能，快速性的優(yōu)劣，對(duì)民用船舶來(lái)說(shuō)將影響船舶的使用性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于軍用艦艇而言更為重要，因?yàn)榭焖傩耘c提高艦艇的作戰(zhàn)性能密切相關(guān)，因此，幾乎每一艘船舶，在設(shè)計(jì)任務(wù)書中就給定明確的快速性指標(biāo)，當(dāng)船舶建成時(shí)，測(cè)定是否達(dá)到規(guī)定的快速性指標(biāo)是船舶試航的一個(gè)重要內(nèi)容[1]。船舶的阻力預(yù)報(bào)是研究船舶快速性的一個(gè)重要指標(biāo)，阻力性能良好的船舶可以提高運(yùn)輸效率，節(jié)約能源，也直接關(guān)系到船舶的經(jīng)濟(jì)性能。船舶阻力性能評(píng)估是船型優(yōu)化的重要依據(jù)。

STAR-CCM+是一款新型CFD模擬軟件，本文采用STAR-CCM+對(duì)5415船模的阻力進(jìn)行數(shù)值模擬。

1　控制方程

STAR-CCM+數(shù)值計(jì)算所采用控制方程的是質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

控制方程的通用形式：

(3)

式(3)中，φ為通用變量，可以代表u、v、w、等的求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

所有的控制方程都可以經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理后化為標(biāo)準(zhǔn)形式，然后將方程右端各項(xiàng)集中一起定義為源項(xiàng)，化為通用的微分方程，求出其數(shù)值解，對(duì)于不同的φ，只要重復(fù)調(diào)用程序，并給出Γ和S的適當(dāng)表達(dá)式以及適當(dāng)?shù)某跏紬l件和邊界條件，便可求解。

2　計(jì)算模型及仿真過(guò)程

2.1船體模型

本文的船體模型采用5415船模，模型的主尺度如表1所示，模型的三維圖如圖1所示。

表1　5415模型主尺度

圖1　5415船模型

2.2計(jì)算域及網(wǎng)格的劃分

STAR-CCM+是款一體化的處理軟件，在同一界面既能對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，又能對(duì)生成好的網(wǎng)格模型進(jìn)行后處理。首先選取網(wǎng)格模型，對(duì)于船體一般選取剪切型非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圖1中陰影密集部分為加密區(qū)域，所生成的計(jì)算域及船體網(wǎng)格如圖2和圖3所示。

其中計(jì)算域36m×27m×18m。

圖2　計(jì)算域

圖3　船體網(wǎng)格

2.3網(wǎng)格密度的選取

為了分析不同網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，以航速V=2.196m/s為例，對(duì)4種不同網(wǎng)格密度計(jì)算域下的船體阻力值進(jìn)行計(jì)算，并將阻力按式(4)進(jìn)行無(wú)量綱化，然后將無(wú)量綱化的阻力進(jìn)行相互對(duì)比。固定邊界層的總厚度為0.02m，通過(guò)改變層數(shù)來(lái)改變網(wǎng)格到船體表面的距離，進(jìn)而影響著網(wǎng)格密度，具體網(wǎng)格和計(jì)算的無(wú)量綱化阻力值如表2所示。

(4)

式(4)中，[Rw]為有量綱的阻力值，π1為無(wú)量綱的阻力值，ρ為水的密度，L船模的長(zhǎng)度，V為航速。

表2　不同網(wǎng)格數(shù)量下的水動(dòng)力比較

由表2可知，隨著邊界層層數(shù)的增加，計(jì)算所得水動(dòng)力趨于穩(wěn)定。當(dāng)邊界層層數(shù)為8時(shí)，已在穩(wěn)定范圍內(nèi)，因此，本文采用邊界層數(shù)為8的網(wǎng)格密度的計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算。

2.4選擇與設(shè)置物理模型

設(shè)置并激活數(shù)個(gè)物理模型以模擬作用于船上的力。此模擬通過(guò)使用VOF波模型，對(duì)同一連續(xù)體內(nèi)的兩種流體(空氣和水)進(jìn)行建模，這是STAR-CCM+較傳統(tǒng)的CFD軟件的一大特色，STAR-CCM+對(duì)于運(yùn)動(dòng)問(wèn)題尤其是船舶在波浪運(yùn)動(dòng)中問(wèn)題的解決顯得尤為簡(jiǎn)便。存在不同的兩相流體，選取歐拉多相流；使用重力模型將兩種流體及船受到的重力作用考慮其中。

2.5設(shè)置初始條件及邊界條件

使用與先前定義好的VOF波的相關(guān)場(chǎng)函數(shù)設(shè)置初始條件，初始條件包括自由表面波的分布、相內(nèi)的速度分布以及流體靜壓等。根據(jù)已經(jīng)選取的邊界類型來(lái)設(shè)置與各類型相對(duì)應(yīng)的邊界條件。其邊界條件設(shè)置如圖4所示。

圖4　邊界條件的設(shè)置

2.6設(shè)置DFBI運(yùn)動(dòng)和6自由度體

在DFBI中可對(duì)船體的質(zhì)量、重心、慣量等主尺度參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)結(jié)合VOF波的設(shè)置，可以對(duì)船舶的不同狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置；6自由度體的設(shè)置包括X軸平移與旋轉(zhuǎn)、Y軸平移與旋轉(zhuǎn)、Z軸平移與旋轉(zhuǎn)，本文選取釋放Z軸的垂向運(yùn)動(dòng)以及繞Y軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。

圖5　三自由度模型

2.7監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示

從以上的圖6到圖8可以實(shí)時(shí)考察該船的數(shù)值運(yùn)動(dòng)模擬情況，從圖6可以實(shí)時(shí)觀察船體自由液面的變化情況，即可以研究船舶的在自由液面的深沉變化情況；從圖7可以了解船體周圍興波的變化情況。從圖8可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船舶阻力值隨時(shí)間的變化情況，當(dāng)曲線最終趨于平穩(wěn)時(shí)，就是所需的阻力值。

圖6　自由液面模擬云圖

圖7　船體周圍興波模擬云圖

圖8　阻力的時(shí)歷曲線

3　試驗(yàn)的驗(yàn)證

為了便于與現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，采取了V=0.749m/s、1.124m/s、1.501m/s、1.873m/s、2.245m/s、2.621m/s、2.996m/s等7個(gè)不同的靜水速度，其對(duì)應(yīng)的Fr分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4。每個(gè)速度下監(jiān)測(cè)其靜水的阻力值，并將阻力值按式(4)進(jìn)行無(wú)量綱化，將無(wú)量綱化阻力值與現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如圖9所示。

圖9　無(wú)量綱試驗(yàn)值與仿真值的比較

從圖9中可以看出無(wú)量綱化的仿真值與試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律基本一致，二者數(shù)值的峰值差距約為8%，說(shuō)明采用本方法進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算具有可行性。

4　仿真結(jié)果的分析

本文采取了V=0.749m/s、1.124m/s、1.501m/s、1.873m/s、2.245m/s、2.621m/s、2.996m/s、3.371m/s的8個(gè)不同的靜水速度，其對(duì)應(yīng)的Fr分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45。在每個(gè)速度下分別監(jiān)測(cè)總阻力、摩擦阻力、剩余阻力、升沉值、橫傾角，然后將阻力按照式(6)換算為阻力系數(shù)。

4.1不同速度下總阻力系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)及剩余阻力系數(shù)的變化情況

STAR-CCM+相比于常規(guī)的CFD軟件對(duì)船舶的數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬容易且方便，當(dāng)網(wǎng)格達(dá)到一定精度和數(shù)量時(shí)，對(duì)于阻力值的模擬可以達(dá)到很高的精度。STAR-CCM+可以直接數(shù)值計(jì)算出船舶的總阻力、摩擦阻力、剩余阻力。

由傅汝德阻力分類可知，可以將船舶所受到的總阻力Rt分為摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr，即：

(5)

總阻力系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)及剩余阻力系數(shù)計(jì)算可作如下所示：

其中:ρ為密度;v為航速;S為濕表面積;ΔCf為粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)。將數(shù)值計(jì)算所得的總阻力Rt、摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr按以上公式化為其相應(yīng)的阻力系數(shù)。不同的傅汝德數(shù)下總阻力系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)及剩余阻力系數(shù)如圖10所示。

圖10　不同阻力系數(shù)的比較

由圖10可知，總阻力系數(shù)隨著Fr增大也不斷增大；但摩擦阻力系數(shù)隨著Fr增大不斷變??；剩余阻力系數(shù)隨著Fr增大也不斷增大。對(duì)于總阻力系數(shù)和剩余阻力系數(shù)，當(dāng)Fr<0.35時(shí)，增長(zhǎng)是緩慢的；當(dāng)Fr>0.35時(shí)，增長(zhǎng)是迅速的。由此說(shuō)明航速對(duì)阻力影響很大。

4.2不同速度下的橫傾角及升沉值的變化

由圖11、圖12可知：隨著Fr的增大，橫傾由正變?yōu)樨?fù)，即船體開始由左舷傾斜到最后變?yōu)橄蛴蚁蟽A斜，且在Fr=0.35時(shí)，發(fā)生顯著變化。隨著Fr的增大，升沉值越來(lái)越大，說(shuō)明隨著Fr的增大，船體的縱向運(yùn)動(dòng)幅度不斷增大。由此可見(jiàn)，速度的突然增大使該船舶姿態(tài)有顯著變化。

圖11　橫傾角的變化

圖12　深沉值的變化

4.3不同航速下船體的興波情況

由圖13可知：當(dāng)傅汝德數(shù)Fr=0.1即航速很低時(shí)，船體左右兩側(cè)的興波很小且對(duì)稱性很好，隨著航速的增大，船體兩側(cè)的興波越來(lái)越大，背流面散出的波形距離船體越來(lái)越遠(yuǎn)，同時(shí)船后的興波也越來(lái)越大；同時(shí)隨著航速的增大，船艏部分背流面低氣壓越來(lái)越顯著，同樣迎流面的高氣壓也在顯著增加，壓力使得波高也在增加。

圖13不同航速下船體周圍的興波

5　結(jié)論

1) 本文介紹了新型CFD軟件STAR-CCM+對(duì)5415船模的阻力預(yù)報(bào)的數(shù)值仿真過(guò)程，并通過(guò)仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比，驗(yàn)證了STAR-CCM+對(duì)5415船模阻力預(yù)報(bào)的可行性，可對(duì)船舶數(shù)值仿真提供參考。

2) 本文通過(guò)運(yùn)用STAR-CCM+對(duì)某5415船模的靜水中阻力、升沉、橫傾等進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究，得出了該船靜水阻力的一般規(guī)律：Fr=0.35是總阻力系數(shù)、剩余阻力系數(shù)及橫傾角變化的分界點(diǎn)； 隨著航速的增大，背流面散出的波形距離船體越來(lái)越遠(yuǎn)，船體周圍的興波越來(lái)越大。以上規(guī)律可為研究船舶靜水阻力提供借鑒和參考。

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(責(zé)任編輯唐定國(guó))

ResistancePredictionof5415ShipModelBasedonSTAR-CCM+

WEIKe-ke,GAOXiao-peng

(DepartmentofNavalArchitecture，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033,China)

Basedonthe5415shipmodelastheresearchobject,thispaperintroducedthenumericalsimulationprocessaccordingto5415shipmodelbySTAR-CCM+,whichsimulatedtheresistance,heaveandheelingabouttheshipmodel,andcomparedwithexistinggiventestvalue,weverifiedtheSTAR-CCM+ontheboatinstillwatermovementthevalidityofthenumericalsimulation.ResearchshowsthatthetotalresistancecoefficientandresidualresistancecoefficientincreasewiththeFrincrease,andthegrowthisslowwhenFr<0.35,andthegrowthisrapidwhenFr>0.35;thetransverseinclinationhaschangedsignificantlywhenFr=0.35.SoFr=0.35isthedividingpointofresistanceperformanceoftheshipmodelchange.

5415standardmodel；sinkage；STAR-CCM+；Fr

2016-03-18；

2016-04-20

魏可可(1992—)，男，碩士，主要從事船舶流體力學(xué)研究。

10.11809/scbgxb2016.09.036

format:WEIKe-ke,GAOXiao-peng.ResistancePredictionof5415ShipModelBasedonSTAR-CCM+[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):157-161.

TH11

A

2096-2304(2016)09-0157-05