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系列60双体船阻力分量相互作用的数值研究

Andrea Farkas，Nastia Degiuli *，Ivana Martic

萨格勒布大学机械工程与造船学院，克罗地亚

关键词：
双体船、干扰阻力、CFD、RANS、分离

摘要：本文对S60双体船和S60单体船体绕流进行了数值研究，并对其干扰现象进行了研究。本文针对自由表面和双体粘性绕流展开了数值模拟，包括六个弗劳德数（0.3～0.55），四个分离比（0.226～0.4696）以及单体船，并对所得结果进行了验证和确认。将数值结果与现有的实验数据进行对比，二者吻合较好。首先，基于双体船和单体船体总阻力的干扰系数，研究了双体船的干扰阻力。然后，通过基于阻力分解的过程来研究干扰阻力，以确定粘性和兴兴波阻力对双体船总阻力的影响。发现单体船与的形状因子不同于具有相同片体形状的双体船的形状因子。此外，发现双体船的形状因子与分离相关。通过分析片体绕流的流动情况，发现横流强度与干扰阻力有关。最后，强调了基于粘性流动的CFD在双体船初步设计中的优势。

1.介绍

与单体结构相比，双体船和其他多船体结构具有更好的快速性、阻力性能、操纵性和横稳性。因此，在过去的几十年中，人们对多船体在民用、国防和军事领域利益的关注显著增长。因此，最近对多船体进行了许多理论、数值和实验研究（ZAGI等人，2010）。尽管如此，双体船性能预测仍然具有一定程度的不确定性（Sahoo等人，2007）。船体之间的间距是双体船设计中最重要的参数之一，这是因为在彼此接近的船体之间的水动力相互作用。因此，在设计阶段必须考虑这个参数（Bari和Matveev，2016）。如果船体足够接近彼此，那么多船体产生的波场并不是每个船体所产生的波场的简单叠加（FaltSin，2005）。这些波场之间通常存在强烈干扰，因此可以引起有利或不利的影响（Souto-Iglesias等人，2012）。在内部区域中产生的波型是非常复杂的，并且强烈影响双体船的水动力特性。双体船波型的尾流角比开尔文尖角窄（Heal.，2016）。此外，由双体船和单体船所产生的最高波的波长变化很大。双体船所产生的最高波的波长大约等于弗劳德数（Fn）值在1以上的分离，而由快速单体船产生的最高波的波长和Fn值在5以上的船的波束几乎相等（Ma等人，2016）。

因为干扰阻力的出现，双体船的阻力不同于单船体的双重阻力，（Jamaludin等，2012）。干扰阻力可分为粘性阻力和兴波阻力两个分量。非对称绕流是粘性阻力的主要原因，因为它改变了边界层的形成和旋涡的发展。兴波阻力是由每个不同体系的波系之间的干扰引起的（Insel和Molland，1992）。许多学者研究了分离对双体船粘性阻力和兴波阻力的影响。大多数作者通过已经研究双体船模型双体船阻力提出了一种基于计算流体力学（CFD）的大中型双体船全尺寸阻力预测方法。该方法假定粘压阻力与雷诺数无关（Rn）。全尺寸阻力的估计是从全尺寸Rn的模拟得到的。对模型的速度、模型尺寸和通过改变水的运动粘度而获得的具有全尺寸Rn的初始模型网格进行了仿真。

Souto Iglesias等人（2007）对单体船和双体船在拖曳水池进行了实验研究，研究了分离对干扰阻力的影响。为了确定所进行的测量的准确性，包括不确定度分析。结果表明，双体船分离度越大，干扰效果越好。使用相同的双体船模型（Souto-Iglesias等人，2012）重新调查了这项研究，研究了固定模型和自由模型条件对干扰阻力的影响。此外，又进行了广泛的拖曳水池试验研究S60单体船和S60双体船模型的干扰阻力不同的分离，所获得的结果与（Yeung等人，2004）发表的结果进行了比较，其中作者提出了能够快速准确地评估任何单体或半体组合的兴波阻力的数值方法。结果表明，自由模型提供了更多的极端情况比固定模型有利和不利的干扰制度。Broglia等人（2014）发现干扰效应对于双体船配置和Fn中间值更为显著。他们认为，对于较小的Fn，波倾角太小，不会显著影响双体船的总阻力。在更高的Fn值下，每个船体的波系统发散，因此它们之间的叠加大大减少。因此，双体船开始表现为几乎无相互作用的组合。作者还发现，干扰效应与双体船模型的下沉量和纵倾密切相关。

由于计算机科学和数值计算方法的进步，可以提高CFD方法的精度和效率。因此，研究双体船水动力特性的最佳选择成为拖曳水池试验和CFD方法的组合（Zha等人，2015）。张等人（2015）对纽曼-米歇尔理论进行了验证。他们强调了这种方法对于双体船设计的重要性和稳健性。雷诺平均Navier Stokes方程（RANSE）方法被证明是最适合于中速双体船（Haase等人，2013）的阻力预测。Zha等（2015）利用内腔求解器naoe-FORM-SJTU对双体船模型粘性流场进行了数值模拟。作者认为naoe-FORM-SJTU是解决一般水动力问题的可靠软件，具有较好的效率，比商用软件更具灵活性和可扩展性。Broglia等（2011）对双体船和单体模型的粘性流动进行了数值模拟，目的是研究干扰效应及其与Rn的关系。双体船和单船体模型固定在从实验中获得的动态位置。结果表明，干扰效应与Rn之间的依赖性较弱。为了研究干扰效应和分离之间的依赖关系，Zaghi等人（2011）每一次形成广泛的实验和数值研究。这些研究的结果表明，对于较小分离的双体船构型而言，干扰和最大阻力系数较高。此外，更大的双体船配置的最大阻力系数发生在较高的Fn值。Saries等人（2011）表明双体截面形状对干扰有显著影响。Yengejeh等（2016）利用RANS求解器对非对称滑行船体进行各种粘性流动模拟。对不同的分离、纵倾角和Fn进行了数值模拟。所获得的结果的分析表明双体船配置比具有相同位移的独立单体具有显著减少的湿表面积。Utama等（2012）指出对称双体船由于分离和错位而产生的干扰效应大于非对称双体船的干扰效应。虽然大多数作者把他们的研究集中在双体船平行中体的配置上，Erabhimi等人（2014）研究了具有非平行船体的双体船。作者指出，对于Fn而言，小于0.8时双体船具有较大的总阻力，但对于FN大于0.8时，双体船具有比平行中体双体船更小的总阻力。Castiglione等（2014）在浅水中，干扰效应比深水更为显著。He等（2015）证明了非定常雷诺平均Navier Stokes（URANS）解算器在干扰问题中的适用性，包括下沉量和修整的影响。他们认为，使用URANS求解器的阻力、下沉量和修整偏差的主要原因是网格质量造成的。

2.控制方程

在不可压缩粘性流动的数值模拟中，采用RANS和平均连续性方程作为控制方程。通过N-S方程的时间平均和连续性方程得到RANS和平均连续性方程。RANS和平均连续性方程给出如下（Ferziger和Peric，2012）：

(1)

(2)

其中是流体的密度，是速度矢量的平均直角坐标分量，是雷诺应力张量和p是平均压力。平均粘性应力张量的定义如下方程：

(3)

其中为动态粘度。

方程（1）和（2）表示方程的非封闭集。为了关闭这一组，引入湍流模型。雷诺应力张量的涡粘性模型是基于湍流效应可以被描述为增加粘度的事实，定义为：

(4)

其中K是湍流动能，定义如下：

(5)

采用壁函数的K-ε湍流模型描述湍流影响。在这个模型中，涡流粘度用如下方程描述：

(6)

其中是模型的临界系数，是湍动能的耗散率。

本文采用可实现的K-ε双层（RKE2L）湍流模型。可实现k-ε模型的输运方程定义如下（STAR-CCM 用户指南，2017）：

(7)

(8)

其中是单元体积，是速度矢量，是网格速度矢量，是面面积矢量，和是湍流施密特数（对于该模型：=1和=1.2），是曲率修正系数，是湍流产生项，定义见（Launder和Spalding，1974），是生产项d。根据（Launder and Spalding，1974）中定义的浮力，是源项中抵消湍流衰减的环境湍流值，m是（Launder and Spalding，1974）中定义的膨胀耗散，sk和是用户指定的源项，、和是模型函数，s是平均值的模量。应变率张量和是运动粘度。

在这种k-ε湍流模型中，定义为平均流量的函数，如下所示（STAR-CCM 用户指南, 2017年）：

（9）

其中＝4，给出如下：

（10）

（11）

（12）

是根据方程定义的:

（13）

应变率张量表示为：

（14）

旋转速度张量如下：

（15）

RKE2L湍流模型既适用于低雷诺数网格，也适用于壁面函数网格。网格的壁函数类型表示边界层中的一个网格，其设置是为了在30以上的第一个单元中获得y 参数的值，而对于低Rn类型的网格，其设置是为了在1附近的第一个单元中获得y 参数的值。第一个单元的高度根据此条件设置（Star-CCM 用户指南，2017）。

为了在自由表面模拟中跟踪尖锐的界面并定位自由表面，采用了结合高分辨率界面捕获方案（HRIC）的流体体积（VOF）方法。VOF方法基于第i-th流体的体积分数（alpha;i）。该参数表示任意闭合体积内第i流体所占的体积分数，根据平均连续性方程确定。物理性质取决于特定单元中流体的存在，并根据以下方程式进行计算：

（16）

有限体积法（FVM）是用来表示和评价偏微分方程的形式的代数方程。通过网格将解域细分为有限数量的控制量。FVM允许使用结构化或非结构化网格。由于非结构化网格极大地简化了复杂几何形状的网格生成，所以它被用于本研究中。在本文的第3.2节中给出了关于域离散化的更多细节。

3.计算模型

3.1双体船和单体船模型

对S60单体和双体船模型进行了数值模拟。为了验证数值获得的结果，与文献中可用的实验数据（Souto Iglesias等人，2012）进行了比较。实验进行了稍微修改的S60模型，与一个定义为基准模型东京1994 CFD车间进行比较。因此，对稍微修正的S60模型也进行了数值模拟。据Souto-Iglesas等（2012）,由于台架几何形状太多，没有足够的质量匹配，所以进行了修改。此外，为了应对在更高的FN产生的波，船体垂直延伸（Souto Iglesias等人，2012）。模型的主要尺寸和细节在表1中给出。不同的双体船结构在表2中列出。双体船构型C1的几何形状如图1所示。单体坐标系的起源位于基线和船尾垂直的交点处。双体船协调系统的起源位于左半船的基线和后垂线的交点处。X轴指向船首，Y轴指向左舷，Z轴垂直向上向上，如图1所示。

3.2计算域与数值设置

计算域采用非结构六面体网格离散化，采用STAR-CCM网格划分工具：曲面重构、自动曲面修补、棱镜层网格和修整单元网格。首先，由NURBS曲面组成的S60几何是三角剖分。只有一半的计算域是仿照的，因为单体和双体船模型相对于中心线平面是对称的。因此，在单体绕流数值模拟中，只考虑了S60模型的边界。对于双体船周围的粘性流动问题，只考虑DimiHeor，其中心线位于对称平面分离的一半。在将三角曲面导入STAR-CCM中后，采用曲面重划来提高整体质量，优化三角网格曲面的体积网格生成。表面ReMeSHIR基于目标边缘长度和基于曲率和表面邻近度的特征细化来恢复进口表面。自动表面修复用于自动校正曲面重构后可能出现的几何类型问题。使用修整单元网格获得六面体网格。该啮合工具利用由六面体单元构造的模板网格，利用该输入网格对核心网格进行切割或修剪。在创建核心网格之前，在指定棱镜层厚度值下生成地下。棱镜层是与壁面或边界相邻的正交棱镜单元。棱镜层根据其厚度、其内的细胞层的数量、层的尺寸分布和用于产生分布的函数来定义。核心网格是使用这个地下创建的。为了细化船首和船尾区域中的网格，靠近船体和自由表面区域，创建额外的几何部件，并在这些部件内设置定制的网格控制。在创建了具有细化的核心

资料编号：[3792]