一种对船桨干扰问题的黏势流耦合求解方法

基于黏性流计算流体力学(CFD)及势流理论,建立了一种黏流雷诺平均方程/面元法耦合迭代求解方法,对船桨相互作用问题进行了数值模拟.自由面的船体绕流场模拟应用CFD黏流方法,螺旋桨水动力载荷计算采用势流面元法.在黏性流场模拟中得到桨盘面处的总速度分布,减去螺旋桨诱导速度得到实效伴流速度并作为势流计算速度进口条件,螺旋桨效应以体积力的形式在黏性流场中体现.计算值与试验值的对比结果表明,黏势流耦合迭代求解方法能较好地预报船桨干扰问题,且较全域船桨离散化网格CFD求解船桨干扰的方法,计算量大为减少.该方法充分融合了黏势流方法的优点,既能计及黏性效应又能发挥势流快速准确的优势,能够拓展应用于船体及螺旋桨性能预报及设计优化的研究.

基于Helmholtz速度分解的黏势流耦合方法

针对Navier-Stokes(N-S)方程,根据Helmholtz速度分解,将流场速度分解为势流部分和非势流部分,剥离势流部分后得到黏势流耦合的变形N-S方程.变形N-S方程求解的是非势流部分速度分量,其在远场的影响较弱,故较传统计算流体动力学(CFD)方法求解N-S方程计算区域小,计算效率较高.以圆柱绕流为例,势流部分速度分量采用解析解,并在OpenFOAM平台内实现了变形N-S方程的黏势流耦合计算.对不同雷诺数下圆柱绕流进行了计算模拟,并将耦合方法计算获得的流场中的速度、压力,与文献中的试验及传统CFD等计算的结果进行仔细比较和分析,相关结果吻合良好.研究表明,该方法适用于层流和湍流模型的计算模拟,为改善黏流计算效率提供了新的途径.

基于黏势流耦合方法的KCS船运动响应与波浪增阻数值研究

在海洋中航行的船舶受波浪的影响,当波浪频率接近于其固有频率时,将发生强烈共振。将高阶谱(HOS)方法与CFD方法相结合,用HOS方法生成充分发展的外域波浪场;用naoe-FOAM-SJTU求解器中的重叠网格技术求解黏性内域波浪场中一艘KCS船在固定和放开自由度时的水动力性能。为了验证黏、势流耦合方法造波的准确性,分别用waves2Foam和HOS-NWT生成λ/L=1.15的一阶Stokes深水规则波,二者的数值结果与理论结果均十分接近,且HOS方法生成稳定波浪场耗时更短。在共振工况(λ/L=1.15)下对KCS船进行了数值计算,验证了用黏、势流耦合方法研究规则波中船舶运动的适用性和高效性,可为同类船舶工程问题提供参考。

基于HOS-CFD黏势流耦合方法模拟直立圆柱波浪爬升

对海洋工程结构物的经济性乃至安全性来说,其水动力学性能的精准预报对其设计具有重要意义。波浪与圆柱之间的相互作用对圆柱周围流场产生严重的非线性干扰,使自由液面产生明显的衍射现象。在对这样的现象进行模拟时,势流方法没有考虑到黏性带来的阻力作用,而完全针对黏性流体的计算流体力学(CFD)求解又在资源占用上非常劣势。该文以纯黏性CFD求解器naoe-FOAM-SJTU为基础,通过高阶谱(HOS)方法进行造波,在保证圆柱附近流场精细化计算的同时,降低外部大范围计算域所需的计算时间和存储空间,对在规则波中单个直立固定圆柱周围的波浪爬升进行了模拟计算,将波浪爬升的数据与纯CFD求解得出的结果进行了对比,且通过快速Fourier变换分析了对波浪爬升产生影响的主要波浪成分。此外,该文还通过对比不同黏性计算域布置下的HOS-CFD耦合模拟波面的衍射情况以及HOS-CFD耦合模拟与纯CFD模拟的计算速率,讨论了HOS-CFD耦合模拟中黏性计算域的参考布置尺寸。

基于双向势流—黏流耦合的数值消波模拟

提出一种基于双向势流-黏流耦合的数值消波方法,将计算域分为靠近浮体的黏流计算域和远离浮体的势流计算域,并通过重叠区域进行流场信息匹配。在黏流计算域中求解N-S方程,采用有限体积法对控制方程离散,采用几何VOF方法捕捉自由液面。在势流计算域中求解Laplace方程,引入线性自由液面假设,采用Rankine源法求解。在重叠区域内通过WheelerStretching方法和松弛区域法进行速度场双向信息交换。基于该方法,在OpenFOAM框架下开发了求解器,并在模型尺度下,对不同参数的规则波进行了模拟,还与waves2Foam求解器的计算结果进行对比。计算结果表明,在同等消波效果下,基于论文方法的数值模拟所需的黏流计算域消波区长度为waves2Foam求解器的1/5。

“海上列车”静水及波浪中的水动力特性研究

为了研究新型多船航行概念“海上列车”在波浪中的运动特性和阻力性能,开发了一种基于功能分解的势黏流耦合方法.选取了Blunt Wigley船型为研究对象,三艘Blunt Wigley以0.1L(L为模型船长)的纵向间距串列组成多船系统.采用自主研发的势黏流耦合求解器HUST-SWENSE与结构化动态重叠网格代码HUST-Overset耦合求解船舶在波浪中的运动.静水中单船和多船系统阻力性能对比发现:串列式“海上列车”中引导船减阻效果明显,而后续单船均有不同程度的增阻,位于最尾部位置的单船阻力增加最大.通过对波浪中单船和多船系统的运动响应、波浪增阻和不同成分波系的对比分析发现:当参数τ>0.25时,引导船的运动特性与波浪增阻特征和单船几乎相同,须根据具体航行海况调整船间纵向距离以达到减阻的目的.