英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
CFD方法对船舶阻力粗糙度影响建模的验证
作者：Soonseok Song , Yigit Kemal Demirel, Mehmet Atlar, Saishuai Dai, Sandy Day, Osman Turan
英国格拉斯哥市蒙特罗斯街100号斯特拉斯克莱德大学
船舶与海洋工程学院
目 录
摘 要 2
1.引言 4
2.方法 5
2.1 数值模拟 7
2.1.1数学公式 7
2.1.2粗糙度函数 8
2.2几何和边界条件 10
2.2.1平板模拟 10
2.2.2 KCS仿真模型船 11
2.3 网格生成 12
3.结果 13
3.1 检验 13
3.1.1空间收敛性研究 14
3.1.2时序收敛性研究 14
3.2验证 16
3.2.1平板模拟 16
3.2.2 KCS仿真模型船 17
3.3船体粗糙度对船舶阻力分量的影响 18
3.3.1摩擦阻力和剩余阻力 19
3.3.2粘性压力和兴波阻力 20
3.4船体粗糙度对流动特性的影响 22
3.4.1速度场 22
3.4.2压力场 23
3.4.3波剖面 24
4.结论 25
竞争利益声明 26
致谢 26
参考文献 27
摘 要
近年来，利用计算流体力学(CFD)方法对船体粗糙度对船舶阻力的影响进行了积极的研究。虽然有几项研究表明，CFD模拟中的粗糙度建模可以准确地预测由于表面粗糙度引起的摩擦阻力的增加，但仅对压力梯度为零的平板进行了实验验证。这就意味着，除了摩擦阻力外，其他船舶阻力的验证结果并不能保证该方法的有效性。因此，在CFD中对三维船体总阻力进行粗糙度建模的有效性是值得论证的。在本研究中，我们开发了拖曳平板和KRISO集装箱船(KCS)的CFD模型。为了模拟湍流边界层中的粗糙度效应，在CFD模型的壁面函数中采用了之前确定的沙粒表面粗糙度函数。并将计算结果与实验数据进行了比较。结果表明，计算流体动力学方法能够较准确地预测粗糙度对三维船体总阻力的影响。最后，研究了粗糙度对船舶各阻力元件的影响。
关键字：船舶阻力；船体粗糙度；计算流体动力学(CFD)；粗糙度的影响；KRISO集装箱船(KCS)；附加阻力
1.引言
船体的粗糙是由多种原因造成的，比如腐蚀、海洋涂层的失效和生物淤积(Tezdogan和Demirel, 2014;Demirel，2017a)。它的后果是船舶在恒功率下的速度损失，或在恒速下增加的功率消耗(Townsin, 2003)。从经济和环境的角度，预测船体粗糙度的影响对于更好地安排干坞作业和更好地选择船舶涂料是很重要的。
Granville(1958, 1978)提出的边界层相似律分析被广泛用于预测粗糙度对船舶摩擦阻力的影响。使用这种方法的好处是, 一旦粗糙度函数, Delta;,在已知表面上, 表皮的粗糙度相同的摩擦可以推断任意的长度和速度的平板，因此，许多研究人员已经使用该方法预测了船体粗糙度的影响(Schultz, 2002,2004,2007;Shapiro等人，2004;Flack和Schultz, 2010年;Schultz等人，2011年;Demirel,2015;Demirel等，2017a, 2019;Li等人，2019年)。最近，Song等人(2019a)通过对平板和模型船在光滑和粗糙表面条件下的一系列拖曳试验，证明了该方法用于预测粗糙度对船舶阻力影响的有效性。
然而，Demirel等人(2017b)批评这种缩放方法有几个缺点。由于假设是一个平板，这种方法忽略了三维(3D)效应。因此，除了摩擦阻力外，不能考虑粗糙度对其他船舶阻力的影响。该方法的另一个有争议的问题是假设平板上的粗糙度函数是均匀且恒定的。
近年来，计算流体动力学(CFD)被认为是改善这些缺点的有效方法(Atlar 等人，2018)。使用CFD的优点是,当地的摩擦速度的分布,,对每个离散单元进行动态计算,因此动态不同粗糙度的雷诺数,,和相应的粗糙度函数,Delta;,可以考虑在计算。3D效果也可以考虑在内，如果模型是全尺寸的，这些模拟就不会受到缩放效果的影响。
相应地，越来越多的研究使用CFD建模来预测表面粗糙度对船舶阻力的影响(Demirel 等，2014, 2017b;Farkas等人，2018;Song 等，2019b)和螺旋桨性能(Owen 等， 2018;song等人，2019c)以及船舶自推进特性(Song等， 2020)。最近的研究 表明 , 船体粗糙度不仅增加船体摩擦阻力也会影响粘性阻力和兴波阻力。
虽然有几项研究通过对比模拟结果和实验数据来验证了他们的CFD方法(Demirel等， 2014;Song等人，2019b)，验证仅仅是针对没有压力梯度的平板拖曳试验进行的。也就是说，这些验证仅对摩擦阻力有效，因此不能保证来自船体三维形状的其他阻力元件的有效性。因此，CFD方法在三维船体中的有效性还有待进一步验证。
据笔者所知，目前还没有针对船舶模型试验的CFD粗糙模型验证的具体研究。因此，本研究旨在通过建立CFD模型来预测船体粗糙度的影响，并通过与具有粗糙表面的模型船的实验数据进行对比进行验证研究，从而填补这一空白。
本文提出了一种基于非定常纳维叶－斯托克斯雷诺数的平均(URANS)拖船模型来预测船体粗糙度对船舶阻力的影响。在CFD模型的壁面函数中，采用了之前研究中确定的沙粒表面粗糙度函数。在光滑和粗糙表面条件下，对模型船进行了速度范围内的CFD模拟。然后，将预测的总阻力系数与具有相同表面粗糙度的模型船的实验数据进行比较，以进行验证。
本文组织如下：当前的方法研究在第2节中解释，包括数学公式、粗糙度函数和改进的壁面函数法，几何和边界条件及网格生成。第3节介绍了当前CFD方法的时空验证研究和验证，以及进一步的研究，如船体粗糙度对单个船舶阻力分量的影响以及对船体周围流动特性的影响。
- 方法
图1.当前方法的示意图
图2.Song等人使用的平板船和模型船。（2019a年）
本研究的示意图如图1所示。在此次研究中,在我们之前的研究中，我们开发了CFD模型来模拟拖曳试验，(Song 等, 2019 a), 包括拖曳测试平板和KCS模型的光滑和粗糙表面条件(图2 )。为了表示沙粒表面的表面粗糙度，CFD模型的壁面函数采用了粗糙度函数模型。将平板和模型船在光滑和粗糙表面条件下的仿真结果与实验数据进行对比，验证了CFD方法预测船体粗糙度对船舶阻力影响的有效性。
-
- 数值模拟
2.1.1数学公式
CFD模型是基于不稳定纳维叶－斯托克斯雷诺平均 (URANS)方法使用一个商业CFD软件包,。 (version 12.06）
平均连续性和动量方程不可压缩流可以在张量符号和笛卡尔坐标在接下来 的两个方程 (Ferziger Peric, 2002)。
（1）
（2）
在这是密度，是平均速度矢量，是雷诺应力，是平均压力，是粘性应力
下面两个方程，牛顿流体的粘滞应力可以表示为
（3）
在这是动态粘性力，利用Boussinesq假设，雷诺应力可以表示为
（4）
在这是湍流涡流粘度，是湍流动能，是克罗内克符号。
在CFD求解中，计算域被离散化，并采用有限体积法求解。动量方程采用二阶逆风对流方案和一阶时间离散化方法。整个求解过程基于压力关联方程的半隐式方法(简单型)算法。
剪切应力传输(SST) k-omega;湍流模型(Menter,1994)是用来预测湍流的影响,结合 k-omega;和k-ε湍流模型的优势。该模型在边界层内部采用 k-omega;公式，在自由流中采用k-ε公式，以获得更精确的近壁处理，对入口湍流特性的敏感性较小,导致更好的预测不良压力梯度和分离流。湍流模型的方程采用二阶对流格式。
对于自由表面，采用高分辨率界面捕获(HRIC)方法，采用体积流体法(VOF)。
2.1.2粗糙度函数
粗糙度导致紊流增加，从而导致紊流应力、壁面剪应力和表面摩擦力增加。这种效应也可以看作是对数律区速度剖面的向下移动。这种向下移动被称为“粗糙度函数”，Delta;。粗糙表面对数律区域的无量纲速度剖面如下所示
（5）
粗糙度函数是粗糙度雷诺数的函数。值得注意的是，在光滑条件下，简单地消失。Song等人。（2019a）利用平板在光滑和粗糙表面条件下的牵引试验结果，确定砂粒表面（60/80粒度氧化铝磨料粉末）的粗糙度函数。基于代表性粗糙度高度的不同选择，他们给出了粗糙度函数Delta;Uthorn;与粗糙度雷诺数的关系。在本研究中，粗糙度函数是基于使用50 mm间隔内的最大峰谷粗糙度高度，在CFD模型中使用（）。人们可能会注意到这是一个非常粗糙的情况。
为了将粗糙度函数应用于CFD模型的壁面函数中，提出了粗糙度函数模型，
（6）
其中，是冯卡门常数（）。如图3所示，所提出的粗糙度函数模型与Song等人的实验粗糙度函数之间取得了极好的一致性。（2019a）。
图3.宋等人的实验粗糙度函数。（2019a）和提出的粗糙度函数模型。
图4.平板模拟模型的尺寸和边界条件，（a）平板，（b）剖面图，（c）俯视图。
2.2几何和边界条件
2.2.1平板模拟
图4示出了用于平板模拟的尺寸和边界条件。选择计算域的大小来表示Song等人的拖曳试验。（2019a）。对于方向的两个相对面，入口自由流边界条件采用速度入口边界条件，出口边界条件采用压力出口。在进行拖曳试验的开尔文流体力学实验室中，选择了水槽底部和侧壁作为滑动壁并代表拖曳水槽。为了节省计算时间，在垂直中心平面（）上应用对称边界条件，这样只考虑了一半的板和控制体积。
2.2.2 KCS仿真模型船
表1
全尺寸和模型尺寸KCS的主要细节，改编自Kim等人（2001）和Larsson等人。（2013年）。
图5.KCS模型船舶模拟的计算域和边界条件，（a）KCS的体平面和侧剖面，改编自Kim等人。（2001），（b）剖面图，（c）俯视图。
表1显示了KCS的主要细节。在本研究中，采用75的比例因子对CFD模拟进行建模，Song等人将其用于拖曳试验。（2019a年）。图5描绘了主体平面图、KCS的侧面轮廓以及计算域的边界条件和尺寸的概述。采用速度入口和压力出口边界条件作为入口和出口边界条件。为了表示深水和无限大的空气条件，将区域的边壁、底部和顶部的边界条件设置为速度入口。垂直中心平面被定义为对称平面。值得注意的是，模型船在模拟中可以自由下沉和平衡，类似于Song等人。（2019a年）。
2.3 网格生成
网格生成采用星型的内置自动网格划分工具。使用修剪六面体网格。在临界区域，如自由面附近区域、平板前缘和后缘以及KCS船体的球鼻艏，对网格进行了局部细化。生成棱柱层网格进行近壁细化。选择板和模型船表面的第一层单元厚度，使得值始终高于30，并且也高于Demirel等人建议的粗糙雷诺数。（2017b年）。图6和图7显示了平板和KCS模型船舶模拟的体积网格。
图6.平板模拟的体积网格。
图7.KCS模型船舶仿真的强度网格。
-
结果
- 检验
进行了收敛性研究，以评估模拟的空间和时间不确定性。采用基于Richardson外推（1910）的网格收敛指数（GCI）方法估计数值不确定性。值得注意的是，尽管GCI方法最初被提出用于空间收敛性研究，但它也可以用于时间收敛性研究，正如Tezdogan等人所使用的一样。（2015）和Terziev等人。（2018年）。
根据Celik等人。（2008）的计算方法顺序是
（7）
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[240137]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
