船舶与海洋工程毕业设计：小水线面双体船阻力计算.doc

1、本科毕业论文（20 届）小水线面双体船阻力计算所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 目录目 录摘 要 .1Abstract.21前言 .31.1课题的目的与意义 .31.2小水线面双体船的现状与发展 .31.3 CFD研究 .41.4 FLUENT的简介 .51.4.1程序结构： .51.4.2 FLUENT 程序可以求解的问题 .61.5本设计的主要研究内容 .72. 基本理论 .72.1 FLUENT基本思路 .72.2 FLUENT分析流程 .82. 3边界条件 .92.4 SIMPLE算法 .102. 5网格生成技术 .11

2、3双体船实船数值模拟 .123.1引言： .123.2计算模型与坐标系 .133.3计算域 .163.4网格划分 .173.5 边界条件 .193.6 模型设定 .193.7 求解设定与计算 .193.8计算结果与分析 .28总结 .36参考文献 .37致谢 .38外文翻译 .39本科毕业论文 摘要1摘 要最近几年我国船舶产业高速发展，快速性是船舶性能重要的一块，通过对船体的线型进行优化，将可以有效的减少船舶在航行中的阻力，这样不仅节省了燃油，也提高了货运效率。这次设计采用目前广泛应用的商业计算流体力学通用软件 GAMBIT来建小水线面双体船的船体模型，并用 FLUEN计算在同航速下船舶的阻力

3、。本次是计算船舶在 20节航速下的阻力。幷对计算结果进行分析，如：船体表面压力、船体周围自由液面、船舵处压力、船舯处压力、船艏处压力、船前均匀来流压力、船舯剖面压力、横剖面压力分、计算域底部压力、船底处压力、空气层处压力、船体表面流线和船艏速度矢量。可说明 FLUENT对具有自由面的双体船船模的粘性流场模拟和阻力计算是可行的，从而保证了后续的粘性流场数值模拟和船模阻力计算的可靠性。关键词 FLUENT；数值模拟；船舶阻力；双体船本科毕业论文 摘要2Resistance Computation of a Trawler Based on FLUENTAbstract In recent year

4、s Chinas shipbuilding industry is developing. Fast sex is an important piece of ship performance. Line through the optimization of the hull would be able to effectively reduce the resistance in sailing ships. This can not be only saves fuel, but also improve freight efficiency.The design uses the wi

5、dely used commercial CFD software GAMBIT to build SWATH ship hull model of the body and at the same speed with the FLUENT calculation of the resistance of the ships. This is calculated under the ship at 20 knots the resistance. Such as: Pressure hul, Free surface around the hull, Rudder at the press

6、ure, Ministry of pressure amidships, Bow at the pressure, Pressure of a uniform stream before the ship, Midship section pressure, Cross section the pressure points, Pressure on the bottom of the computational domain, Pressure at the bottom, Air layer at the pressure, Hull surface flow line and Bow v

7、elocity vector. FLUENT can explain the free surface of a catamaran ship model of the viscous flow simulation and resistance calculation is feasible. Numerical simulation of viscous flow and ship model resistance calculation is reliable.Key Words FLUENT; numerical simulation; ship resistance; SWATH c

8、atamaran本科毕业论文 正文31 前言1.1课题的目的与意义船舶是一个对国民经济发展及实现现代化具有十分重要意义的工程领域。造船作为一个劳动力密集型产业，在当今社会中的地位，相当重要，不仅与水上运输、渔业等息息相关，与钢铁产业更是密不可分 1。为近年来，随着船舶产业的不断发展，以及原油价格的不断上涨，为了确保经济效益，船的性能的研究显得越来越迫切。小水线面双体船,以深置水下的双下潜体、小水线面的双支柱和宽敞的上船体三部分组成。它的特点是由于水线面比单、双体船都小很多,受波浪扰动小,所以拥有优良的耐波性, 能平稳执行海上作业,人员晕船率低, 适于全海候 , 坚持高出勤率;波浪中失速小,能在

9、恶劣海情下保持高航速,各种航速下运动响应平缓, 适于在复杂海情下工作,上可起降直升机, 下可收放深潜器、工作艇; 在相对小的排水量下,甲板面积及有效舱容宽敞,利于总体布局,适于承担海上特种作业; 操纵性良好 , 利于安全实施海上靠舷登船;生存能力较强,正常与破损稳性较高;船体表现外形简单, 通常是二线曲面,建造工艺没难度,而且适宜采用电磁波和水声隐身结构, 提高全船隐蔽性。但船体结构复杂,重量比相当排水量的单体常规船大;载重量变化使吃水变化十分敏感;双体配套设备量大, 控制系统复杂 ,造价相对高。可以说,小水线面双体船的性能好, 在高海情下适用范围宽, 相当排水量下比常规单体船功能强。它是高性

10、能多功能船,正处于开始推广应用时期 【2】 。船体线型的优劣直接影响船舶的快速性(阻力、推进性能)，为改善船舶的航行性能,船舶线型设计是关键,因为船体线型是关系船舶技术经济性能的全局性设计项目之一。船体型线设计方法有很多,它们各有特点。BSRA、Todd60 和 SSPA等标准系列插值法以简单和快捷而著称。在船型库中插值出设计船线型的同时,还能给出所设计船的阻力和伴流特性等船舶是一个对国民经济发展及实现现代化具有十分重要意义的工程领域。1.2小水线面双体船的现状与发展小水线面双体船的概念早在 1905年以前就已被提出。但直到 1973年才在美国建成世界上第一首 SWATHA“Kaimalino

11、”号。随后日本和欧洲一些国家也相继开发出 SWATH船。例如，日本开发的有”Marine Ace”号(18t,试验船)， “Mesa 80”号（350t，旅客渡船） ， ”Kotozaki”号和 Ohtori号（排水量分别为 236t和 239t，均为水文调查船） 。我国在 7023年代后期开始 SWATH船的研究工作 34567。2000 年在汕头船厂建成我国第一艘 SWATH船，排水量为 200t，主要取其耐波性好，航行平稳的优点，设计航速不很高。因为 SWATH船的满载吃水线以下船体表面积比相同排水量的单体船大 65%-80%。所以在相等的航速下，SWATH 船的摩擦阻力比单体船大得多

12、。这意这以为着当 SWATH船低速航行时，其阻力性能比单体船差很多。只有高速航行时，由于兴波阻力小，其阻力性能才好于单体船。因此， SWATH船的海上航速一般设计得较高。3910本科毕业论文 正文4SWATH船的航行水阻力随船速增加而增加 ,但在波浪中航行的阻力与在静水中航行的阻力相差很小。说明 SWATH船在波浪中失速小 ,这一点与单体船有很大不同。SWATH船的推进效率比单体船高 10%一 50%3。主要有两个原因：一是主体是比较规则的细长体 ,在尾部螺旋桨处的伴流既均匀又 比较丰满 ,有助于船身效率的提高;二是螺旋桨沉深比较大 ,可以选用推进效率较高大直径低转速螺旋桨。1.3 CFD研究

13、船舶的水动力和所受阻力是船舶性能研究和船型优化设计的重要内容之一。以往采用模型试验研究，虽然可靠，但是设计周期长，资金投入大，且不便于改进设计。伴随着计算机技术的迅速崛起和发展，船舶的水动力性能（快速性、适航性、操纵性）是由绕船的流场特性而决定，从理论上讲通过求解描述流场特性的流体动力学方程就能对相应的水动力性能做出预报。然而，由于自由面的存在、船体几何形状复杂（特别是船尾） 、附体较多，导致自由面水波、流体分离、漩涡等现象的出现，使得流场中的流动结构很复杂，即使有了描述流动过程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，长期以来船模试验便成了研究船舶周围流场特性的一个必不可少的手段。然而，船模试验

14、不仅周期长、费用高、很难得到详细的局部流场信息，同时应为尺度效应，船模实际上并不能真实地再现实船的流动情况，很大的局限性。新的水动力性能预报手段的引入已十分必要。计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称 CFD)是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并对上述现象进行过程模拟。用他来进行流体力学的基础研究，其主要优点是能以较少的费用和较短的时间来获得大量有价值的研究结果。随着计算机技术的飞速发展，数值方法不断改进，CFD 的计算精度不断提高以至满足工程实用要求逐渐成为可能，正成为研究船舶水动力性能的一种新的、快速而经济的重要工具。较为成功的

15、应用实例是耐波性的计算方程的普及，升力线、升力面理论已取代了螺旋桨图谱设计。船舶阻力的 CFD计算尽管存在自由表面、高雷诺数等多种难题，最近 30年来通过人们不懈的努力，从势流理论线性计算到非线性计算，从理想流体到粘性流体，从薄边界层到全 NS方程的求解，直至考虑自由面 NS方程的求解，CFD 方法在计算能力和实用方面都发生了深刻的变化。过去只是在大学和研究所机构才有的计算方法，如今已有很多商业化的 CFD软件可以应用。不过，就我国现在的 CFD软件开发水平和能力而言，借助国外成熟的商业 CFD通用软件进行船舶的粘性绕流模拟和水动力研究，应该是一种比较简便经济的方法。目前，国内己经出现一些关于

16、使用商业 CFD软件进行船舶水动力计算的探索研究。这些探索与研究将为我国的船舶 CFD研究，提供新思路、新方法。各种商业 CFD通用软件的数学模型的组成都是以纳维一斯托克斯方程（N-S )方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、自由流模型、非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式。离散方法采用有限体积法(FVM)或有限元法(FEM)，由于有限体积法继承了有限差分法的丰富格式，具有良好的守恒性，能像有限元法那样采用各种形状的网格以适应本科毕业论文 正文5复杂的边界几何形状，却比有限元法简便的多，因此，大多数 CFD通用软件都采用有限体积法。1

17、.4 FLUENT的简介FLUENT是用于计算流体流动和传热问题的程序。他提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格;三维的四面体、六面体及混合网格。FLUENT 还可以根据计算结果调整网格，这种网络的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流畅很有实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。 101.4.1程序结构：（1）GAMBIT用于建立几何结构和网格生产GAMBIT，作为 FLUENT的前处理软件，可以生成用于 CFD数值模拟和计算的网格模型，并且它所生成的网格模型还可以供

18、多种 CFD程序或商业 CFD软件所使用。GAMBIT 的主要功能包括三个方面:构建几何模型、划分网格和设定定界，其中划分网格是其最主要的一项功能。它最终将生成可以导入多种 CFD程序或商业 CFD软件的网格模型文件。 在使用 GAMBIT进行几何建模时，对于模型几何形状不太复杂的问题，一般可以直接在 GAMBIT中完成几何建模。但对于复杂模型的 CFD问题，特别是三维问题，GAMBIT 不是很有效，所以需要借助专用的CAD软件来帮助完成几何建模。GAMBIT 可以导入多种类型的 CAD软件或前处理软件所生成的几何模型，能够导入的几何模型文件类型包括 ACIS, Parasolid, IGES

19、和 STEP等格式。GAMBIT具有灵活的几何模型修正功能，当从接口导入模型时，会自动合并重合的点、线、面，在保证原始几何精度的基础上通过虚拟几何自动缝合小缝隙，这样既保证了几何精度，又满足了网格划分的需要。GAMBIT具有较强的网格划分能力，它提供了多种网格单元，可以根据用户的需要生成二维的三角形和四边形网格，三维的四面体、六面体及混合网格等多种类型的网格，它具有良好的自适应功能，可以对网格进行细化与粗化或生成不连续网格、可变网格和滑移网格。GAMBIT中的 Tgrid方法可以在极其复杂的几何区域中划分出与相邻区域网格连续的完全非结构网格。在 GAMBIT中，网格生成以后，还可以对模型进行边

20、界的设置，以便为后续进行 CFD模拟时输入边界条件。GAMBIT 可以生成 FLUENT, FDIAP,POLYFLOW等求解器所需要的网格文件。（2）FLUENT-用于进行流动模拟计算的求解器FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化） 。对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确的预测流动，自适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特

21、点很明显地减少了产生“好”网格所需要本科毕业论文 正文6的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细化方法变得很简单，并且减少了计算量。其原因在于：网格细化仅限于那些需要更多网格的解域。FLUENT是用 C语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，FLUENT 使用 client/server结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。在 FLUENT中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言及 LISP

22、 dialect写就的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面。FLUENT采用非结构网格以缩短产生网格所需要的时间，简化了几何外形的模拟以及网格产生过程。和传统的多块结构网格相比，它可以模拟具有更为复杂几何结构的流场，并且具有使网格适应流场的特点。FLUENT 也能够使用适体网格，块结构网格(比如：FLUENT 4和许多其它的 CFD结算器的网格)。FLUENT 可以在 2D流动中处理三角形网格和四边形网格，在3D流动中可以处理四面体网格，六边形网格，金字塔网格以及楔形网格（或者上述网格的混合） 。这种灵活处理网格的特点使我们在选择网格类型时，可以确定最适合特定应用的网格拓扑结构

23、。 利用 FLUENT软件进行流体的流动和传热计算的模拟计算的流程一般是，首先利用GAMBIT进行流动区域几何形状的构建、定义边界类型和生成网格，然后将 GAMBIT中的网格文件输出用于 FLUENT求解器计算的格式，在 FLUENT 中读取所输出的文件并设置条件对流动区域进行求解计算，最后对计算的结果进行后处理。1.4.2 FLUENT 程序可以求解的问题FLUENT 可以求解计算二维和三维问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。fluent软件的应用范围非常广泛，主要范围如下：(1)可压缩与不可压缩流动问题。(3)稳态和瞬态流动问题。(4)无黏流，层流及湍流问题。 (5)牛顿流体及非牛顿流

24、体。(6)导热与对流换热耦合问题。(7)辐射换热。(8)惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。 (9)用 Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒，水滴，气泡等） 。(10)一维风扇、热交换器性能计算。(11)两相流问题。(12)复杂表面形状下的自由面流动问题。 11本科毕业论文 正文71.5本设计的主要研究内容本设计主要是利用 FLUENT软件， 用 GAMBIT建模设置计算域画网格，最终 msh格式导出。通过 FLUENT计算船体阻力。2. 基本理论2.1 FLUENT基本思路利用 GAMBIT产生所需的几何结构以及网格，也可以在已知边界网格中用 Tgrid产生三角网格，四面体网格

25、或者混合网格，也可能用其他软件产生 FLUENT所需要的网格，将网格读入 FLUENT，使用解算器进行计算，其中包括，边界条件的设定，流体物性的设定，解的执行，网格的优化，结果的查看与后处理。a.解决问题的步骤：b创建网格. c运行合适的解算器：2D、3D、2DDP、3DDP。d输入网格e检查网格f选择解的格式g选择需要解的基本方程：层流还是湍流（无粘） 、化学组分还是化学反应、热传导模型等h确定所需要的附加模型：风扇，热交换，多孔介质等。i指定材料物理性质j指定边界条件 k调节解的控制参数l初始化流场m计算解n检查结果o保存结果 p必要的话，细化网格，改变数值和物理模型。第一步需要几何结构的

26、模型以及网格生成。你可以使用 GAMBIT或者一个分离的 CAD系统产生几何结构模型及网格。也可以用 Tgrid从已有的面网格中产生体网格。你也可以从相关的 CAD软件包生成体网格，然后读入到 Tgrid或者 FLUENT本科毕业论文 正文8表 2-1： FLUENT 菜单概述解的步骤 菜单读入网格 文件菜单检查网格 网格菜单选择解算器格式 定义菜单（Define Menu ）选择基本方程 定义菜单材料属性 定义菜单边界条件 定义菜单调整解的控制 解菜单（Solve Menu ）初始化流场 解菜单计算解 解菜单结果的检查 显示菜单（Display Menu）&绘图菜单（Plot Menu）报告

27、菜单（Report Menu ）保存结果 文件菜单网格适应 适应菜单2.2 FLUENT分析流程当你决定使 FLUENT解决某一问题时，首先要考虑如下几点问题： 定义模型目标：从CFD模型中需要得到什么样的结果？从模型中需要得到什么样的精度；选择计算模型：你将如何隔绝所需要模拟的物理系统，计算区域的起点和终点是什么？在模型的边界处使用什么样的边界条件？二维问题还是三维问题？什么样的网格拓扑结构适合解决问题？物理模型的选取：无粘，层流还湍流？定常还是非定常？可压流还是不可压流？是否需要应用其它的物理模型？确定解的程序：问题可否简化？是否使用缺省的解的格式与参数值？采用哪种解格式可以加速收敛？使用

28、多重网格计算机的内存是否够用？得到收敛解需要多久的时间？在使用 CFD分析之前详细考虑这些问题，对你的模拟来说是很有意义的。当你计划一个 CFD工程时，请利用提供给 FLUENT使用者的技术支持 12。在建立控制方程组后，可将其离散成线性代数方程组进行求解。为了构造定解问题，必须知道相关变量的边界条件。最常见的边界条件有两大类:用前处理器 GAMBIT建立模型，用 FLUENT求解器进行模拟和求解一般遵循下面的基本步骤:(1)在 GAMBIT中构建几何模型或者导入其它 CAD软件生成的几何模型。(2)在 GAMBIT中划分网格，建立网格模型。(3)在 GAMBIT中指定网格模型的边界类型和区域类型，然后导出用于 FLUENT求解器模拟计算的文件类型。(4)启动 FLUENT求解器，导入 GAMBIT生成的网格模型并检查模型的网格是否存在问题。(5)选择运行环境，确定求解基本方程，即是否考虑粘性，是否存在多相流，是否考虑热交换等问题。(6)选择材料和设定材料相关物理特性，包括材料的密度、动力粘性系数等。