浅水域船舶岸壁效应数值模拟.pdf

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1、第46卷第1期船海工程Vo1．46No．12017年2月SHIP＆0CEANENGINEERINGFeb．2017DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2017．01．040浅水域船舶岸壁效应数值模拟肖仲明，赵发明，李忠收，刘吉勇(1．大连海事大学航海学院，辽宁大连116026；2．中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082)摘要：选取系列60船型(C=0．6)为研究对象，采用动态重叠网格技术实现船舶航行中的姿态变化，通过求解RANS方程并结合单相LevelSet自由面模拟方法对船舶浅水航行岸壁效应进行数值模拟。假定船舶不动，设置定常流。模拟出船舶的阻力、

2、横向力和转首力矩的系数，与相关文献结果进行对比，吻合良好；同时放开船舶横荡、垂荡和纵摇3个自由度，获得不同岸壁距离下的横移量，分析船速对横移量的影响以及船体压力的变化。采用的重叠网格技术，网格逻辑关系简单，可以快速生成高质量的结构网格，以较少的网格量实现了对浅水中船舶沿岸壁航行的数值模拟，验证了此技术在船舶操纵性数值模拟中的可行性。关键词：CFD；岸壁效应；数值模拟；重叠网格中图分类号：U675文献标志码：A文章编号：1671—7953(2017)01-0162-05近年来随着船舶日趋大型化，相对而言，航经(一M)=0(2)oxj的水域就显得水深变浅，航道变窄，产生岸吸力和上

3、述方程中增加了一个新的未知量，即湍流岸推力矩，通称为“岸壁效应”。国内学者应用CFD方法对岸壁效应问题进行了大量研究¨4。。脉动值的Reynolds应力项，这样方程组就无法封然而相关的研究大都是船舶被动运动的方式，对闭和求解。要使方程组封闭必须对Reynolds应于船舶主动运动、自由度都放开的研究较少。力做出某种假定，引入新的湍流模型方程来确定为此，选取系列60船型为研究对象，采用动雷诺应力。态重叠网格技术，以及PISO算法求解不可压缩1．2湍流模型RANS方程和SSTk-w模型，并结合单相Leve1．setMenterl5在1994年提出SSTIi}一湍流模型。自由液面捕捉

4、方法，综合考虑自由液面和粘性流该模型首先在航空领域研究中得到应用，随后凭的影响，采用船舶主动运动的方式，放开船舶横借其优越的预报性，被众多领域及商业软件所采荡、垂荡和纵摇3个自由度，模拟不同岸壁距离下纳。与标准一模型相比，该模型为了考虑基本的横移量，分析船速对横移量的影响，以及不同船的湍动剪切应力而采用修改过的湍动粘性定义速时船体压力的变化。式。同时为了保证该模型在近岸区域和远场都有很好的预测效果，SSTk-oJ模型对输运方程中l数学模型和数值方法的交叉扩散项以及混合函数进行了修正。1．1控制方程湍流动能k方程和特殊耗散率W方程为不可压缩流体无量纲RANS方程的张量形式为u：

5、k／w(3)au／axf=0(1)Ok+aa瓦oh102()差一走Vs—o(4)—at+a舡+赢ax一Reax：jOaxi一aw+(一OPtIOw一去V：0(5)1．3自由液面收稿日期：2016—05—09LevelsetL6方法是1988年Sethian和Osher修回日期：2016—06—04首先提出的，和VOF方法一样，两相流动都是采基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(3132015015)用单一流体的流动进行模拟，另一相流体流动通第一作者：肖仲明(1982一)，男，博士生，讲师过速度扩展方法确定流场速度。其优点是求解研究方向：航海教育、交通信息工程及控制RA

6、NS方程的计算只在水中进行，为满足界面跳1622第0171期年肖仲明，等：浅水域船舶岸壁效应数值模拟船海工程第46卷跃条件在空气中只布置少量的网格点，从而节省体网格和背景网格在边界处进行信息传递的误了大量的计算资源。其基本思想是设定距离函数差。下一步就是进行2个网格之间的信息传递。(流场中任意一点到自由液面距离的函数)，并背景网格落人船体网格内的点被标记为洞内点而使其零等值面为物质界面。让以某个速度来运不参与数值计算(见图1)，将背景网格的信息传动，只要知道，就可以求取此时的零等值面，进递给船体网格，主要是通过将背景网格中与船体而确定物质界面。因为在两相流的界面处没有质网格插

7、值边界点(图中的圆点)相邻的4个点的量传递，液体没有蒸发成气体，气体也没有液化成数据插值传递给圆点；同理，将船体网格的信息传液体，因此Levelset距离函数在整个流场中是连递给背景网格，图中的方点通过插值接受从船体续的，其方程可以表示为网格传递的流场信息，这样通过挖洞和插值就完成了数据交换。O+：0(6)t

8、dxi背景网格，<0空气式中：：{=0自由液面IL>0水也就是说=0为自由面，<0为空气中，‘D>0为水中。2重叠网格技术重叠网格又称为嵌套网格、覆盖网格等，它允许各个网格子区域相互重叠，嵌套或覆