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学号： 0121202090316

毕业设计外文文献翻译

对某高速船模湍流自由表面的数值与试验研究

选题名称：“平头方尾”船船底开槽减阻性能计算与分析

摘 要

这项研究给出了高速船模型的实验和计算结果。用有限体积法的重叠网格法雷诺时均N-S方程方程和非线性自由表面的边界条件进行了离散。实验是在伊斯坦布尔理工大学拖曳水池进行的。在湍流数值计算中，布西尼克斯假设中湍流的粘度和速度的关系通过标准湍流模型得出。通过Star CCM 软件并采用流体体积法(VOF)来对船模周围的湍流进行模拟，从而得到水与空气的交界面-自由面。计算所得的阻力值与实验数据进行了对比，首、尾波形也得到了定性研究。当傅汝德数小于0.25，计算结果令人满意，能采用高效、准确的工具来预测阻力曲线。当速度更高即傅汝德数大于0.25时，采用低雷诺数湍流模型用来预测阻力会更合适。

关键词：CFD、湍流自由面、Star CCM 、高速船、湍流模型

目录

摘 要 2

1. 介绍 3

2. 数学公式 5

2.1 控制方程 5

2.2 边界条件 6

3. 实验工作 6

4. 数值方法 9

5. 结果与讨论 13

6. 总结 18

致谢 19

参考文献 20

1. 介绍

船体周围流体的研究已经进行了很多年。大多数早期研究都因为缺乏先进的数值计算技术和计算资源而采用实验方法。近年来由于计算技术的进步，使得研究人员可以利用数值方法来进行研究。由于这些先进的数字计术，软件和硬件的存在，几乎所有可能发生的真实情况如今都可以模拟，并且可以通过实验进行验证。

CFD技术应用虽然很普遍，但其给出的结果还不是很精确，且给出的流体信息也很少。CFD基本方法中假设流体是无粘性的，因为N-S方程在过去很难求解。正如前面提到的，最近计算技术的发展使得研究人员们可以使用时均N-S方程、大涡模拟及直接数值求解法来解决这些问题。LES和DNS的主要缺点是它们需要内存更大，运行更快的电脑，所以RSNS基础解决方案已经广泛应用于造船业。

翻阅过去的文献我们可以了解到在20世纪80年代RANS求解器就被用于解决船体水动力的问题，在那以后产生了许多有用的代码[1]。近几年，CFD技术被用于船体结构优化。因此，CFD模拟在船体设计、性能分析和结构优化中扮演了一个重要角色。Gorski、Bulgarelli、Parolini和Quarteroni、Ahmed以及Sridhar等人在CFD的数值模型研究中有创新[2-6]。船体周围的流体是含气液两相流带自由液面的流体。气液界面巨大的表面压力产生了非常复杂的流场。由于其复杂的一些实验和数值研究已经被几名研究者提出，我们可以在Wackers等人[7]、Xing等人[8]的研究中找到。Tinquiu等人通过采用动网格技术来对实船周围的粘性流场进行模拟。 在实船周围建立网格来描述粘性流体在船身周围的模拟[9]。当采用VOF方法处理自由面并用RANS求解器求解时，为了加速计算，Leroyer等人建立了两套数值计算程序[10]。最近，Guo等人用RANS方程对KVLCC2模型在首波中的附加阻力和船体动态进行了预测[11]。Kandasamy等人针对CFD方法模拟高速客轮波浪能对海岸的剥蚀进行了验证[12]。验证程序使用全面测量阻力、升沉、纵倾、伴流脉冲获得了semi-planing foil-assisted高速双体船不同的速度节点。Takai等人致力于用CFD进行性能分析来为高速船改进现有的排水系统并进行设计优化[13]。Seo等人用Star CCM 和大型船模实验进一步验证了3600吨级斜龙骨集装箱船的裸船阻力[14]。

在本研究中，高速船周围的非定常湍流是通过数值调查和实验得到的两种方法 。数据分析是用RANS方程解决的。模型试验是在伊斯坦布尔理工大学拖曳水池得出计算结果并得到总阻力的值。使用的是著名的标准两方程湍流模型。数值计算分为三步：第一阶段的速度、第二阶段的压力和第三阶段的湍流数量都是用有限体积网格法进行离散计算得到的。本研究的主要目的是显示通用CFD方法和Star CCM 在高速船的设计、分析和可靠性上的性能。未确定的研究表明用网格分析法解决船体阻力并不好。三种网格系统（粗中细）都有应用并且中网格系统用于研究流体流动趋势已经足够。

第二部分提供了有关边界条件控制方程的简要解释。第三部分给出了实验步骤，第四部分介绍了计算方法。结果与讨论在第五部分。最后，结果表明当傅汝德数小于0.25时，Star CCM 成功的预测了高速船周围的流体趋势，当傅汝德数大于0.25时低雷诺数湍流模型更适合。

1. 数学公式
   1. 控制方程

三维的不可压缩流体非定常动量连续性控制方程。笛卡尔坐标下的动量方程和连续性方程的为：

，连续性方程 (1)

，动量方程 (2)

由动量方程，当和表示在笛卡尔坐标系中速度分量的波动和方向，P表示压力，表示密度，表示运动粘性系数。用布希涅斯克假设计算雷诺压应力。

(3)

涡粘性系数是结合湍流动能k计算出来的，为湍流能量耗散率，如下，

标准两方程湍流模型被用于模拟湍流。湍流动能k和湍流能量耗散率为：

(4)

(5)

此处产生的动能，=1.44，=1.92，=0.09，=1.0，=1.3

标准两方程湍流模型用于像船体边界层那样的固体边界和再循环区域是非常合理的。压力场由著名的SIMPLE算法解决[15]。考虑到船体关于中纵剖线的对称性，只建立一半的计算域，并采用重叠网格。模型船的计算域和边界条件如图所示，船首前取2倍船长，船尾后取三倍船长，高度方向分别取两倍船长。

2.2 边界条件

图 1计算域及边界条件示意图

在入口，U的范围为0.634~1.758m/s。在远处，即流场边界，所有光滑壁面的法向速度都为零。船体边界设置为无滑移的，与边界平行的速度为零，即边界处剪切力为零。对第一层网格节点，k和为：

， (6)

对粘性层和缓冲层来说，湍流产生的动能使湍流快速增长。利用标准两方程湍流模型，附加的壁面函数在粘性影响区域解决变量是必要的。对数层的速度是y 值的函数，由公式(8)得到。尽管这些常量的值在不同的文献中有轻微的差别[16]，根据斯坦福规范建议卡尔曼常数k为0.41且B为5.0。

(7)

此处为无量纲摩擦速度，，为正交壁面距如。在上游边界，用的是统一的流体条件。在下游边界，用的是在x轴方向上的零导数条件，压力P为静水压力。在对称边界法向方向用的是零导数条件。

1. 实验工作

本研究主要探讨了高速船以不同的速度在自由表面水中的前进。在这次实验中Fn为模型比例。高速船是由Sener制作的[17]。实验是在伊斯坦布尔理工大学的Ata Nutku船模测试实验室进行的。阻力测试是在长160m宽6m深3.4m的Ata Nutku船模测试实验室拖曳水池进行的。详细的拖曳水池视图如图所示。在阻力试验中，船模安装后用Atwood式测力计测量。运行速度由电脑记录并控制。拖曳水池的最大运行速度为5.5m/s。

图2伊斯坦布尔理工大学的Ata Nutku船模测试实验室示意图

表1模型船数据

模型M367是按实船1/36的规模建造的。模型船是用木头做的。船的几何结构如图三所示，水线如图四所示，图五展示了模型船M367的结构。在阻力分析中，没有考虑风的影响。通过船首后的激流丝及舵来产生边界层湍流。模型试验由静水到激流，运动约束为横摇、横荡、艏摇三种。表一给出了模型船和实船的主要参数。拖曳水池的

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