船舶水動力的粘勢流耦合方法初探.pdf

1、船舶水動力性能預(yù)報(bào)是船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)，船舶水動力數(shù)值計(jì)算模擬也逐漸成為輔助船舶設(shè)計(jì)的重要手段，應(yīng)用高效準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算理論方法預(yù)報(bào)船舶水動力性能將會提升船舶設(shè)計(jì)能力，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期。目前隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，基于勢流理論的船舶航行興波、切片理論方法等，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中已被廣泛用于預(yù)報(bào)船舶阻力與耐波性能，盡管計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）方法更為全面真實(shí)的考慮了流體粘性屬性和流動非線性，但應(yīng)用CFD方法計(jì)算船體水動力性能時占有大量

2、的計(jì)算機(jī)資源，計(jì)算時間長，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)計(jì)周期過長，使其在船舶設(shè)計(jì)中應(yīng)用受到較大的限制。本文采用速度分解方法，充分利用了勢流理論快速計(jì)算與CFD方法全面真實(shí)的特性，結(jié)合兩者優(yōu)勢給出了粘勢流耦合求解船舶水動力問題的方法，基于開源 CFD軟件 OpenFOAM平臺，開發(fā)了相應(yīng)的粘勢流耦合求解軟件，并驗(yàn)證了理論方法和所開發(fā)的軟件的正確性。
　　首先，論文采用 Helmholtz速度分解，將流場速度分解為勢流部分和非勢流部分，剝離勢流部分

3、后得到粘勢流耦合的變形NS方程，并進(jìn)一步給出了耦合勢流理論求解變形NS方程的數(shù)值計(jì)算方法。以二維圓柱繞流為例，在OpenFOAM平臺上自主編程，實(shí)現(xiàn)了耦合二維圓柱繞流解析解的變形NS方程的求解。對流場中的速度、壓力，與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)及傳統(tǒng)CFD等的結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)比較和分析，驗(yàn)證了該方法理論的正確性以及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　在此基礎(chǔ)上，論文將該理論的應(yīng)用推廣至三維，并就三維潛體繞流進(jìn)行了粘勢流耦合求解。三維潛體繞流的勢流問題直接采用了

4、三維簡單格林函數(shù)法進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算求解，并提出了源偶偏移法以確定變形NS方程相應(yīng)的定解邊界條件。自主編程在OpenFOAM平臺上實(shí)現(xiàn)了耦合三維潛體繞流勢流解的變形NS方程的求解。通過流場細(xì)節(jié)分析和最終計(jì)算的阻力與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證了粘勢流耦合方法用于計(jì)算三維繞流問題的準(zhǔn)確性。
　　最后論文以粘勢流耦合方法計(jì)算Wigley船體阻力為例，初步探索了其在船舶水動力性能計(jì)算上的應(yīng)用。船體阻力為興波阻力和粘性阻力之和。Wigley船航行興波