1、浙江海洋学院本科毕业论文 目录 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 拖网渔船船舶阻力数值模拟 学 院： 学生姓名： 专 业： 船舶与海洋工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 浙江海洋学院本科毕业论文 目录 目录 摘 要 . 1 一前言 . 3 1.1 课题的目的与意义 . 3 1.2 世界渔船的发展概况 . 3 1.2.1 渔船发展的适应性调整 . 3 1.2.2 渔船捕捞技术的新发展 . 4 1.3 CFD 研究 . 5 1.4 FLUENT 的介绍 . 5 1.4.1 程 序结构 . 6 1.4.2 FLUENT 程序可以解答的问题 . 7 1.5 本设计的主要研究内容 . 8 二
2、 . 基本理论 . 9 2.1.1 粘性流体运动控制方程 . 9 2.1.2 湍流模式 . 9 2 2 FLUENT 的分析流程 . 10 2. 3 网格生成技术 . 11 三、基本数据 . 12 3.1 实船和船模主要要素 . 12 3.2 船舶模型 . 12 3.3 数值仿真工况 . 12 3.3.1 流体参数 . 12 3.3.2 计算航速 . 13 3.4 流体控制域的创建 . 13 3.5 网格划分 . 14 3.6 边界条件 . 17 3.7 模型设定 . 17 3.8 求解设定与计算 . 17 四、计算结果与数据分析 . 22 4.1 计算结 果 . 22 4.2 计算结果分析
3、. 24 4.3 计算结果云图 . 26 参考文献 . 36 浙江海洋学院本科毕业论文 摘要 1 拖网渔船船舶阻力数值模拟 摘 要 在造船产业中，船舶的性能始终是船东最关注的，其中快速性显得尤为突出 。 如果对船体的线型进行优化，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，而且 提高了货运效率。 随着 CFD 技术在各个领域的广泛使用，数值模拟计算也逐渐进入到了船舶领域。本论文在使用 Fluent 进行数值模拟优选前，首先对数值模拟计算的参数依赖性进行了验证。然后对拖网渔船的原始模型进行船模拖曳试验，并与数值模拟计算得到的阻力数据进行对比。结论证明，数值模拟计算的结果和船模试验得到的
4、结果基本 吻合，说明数值模拟计算在一定程度上可以取代传统的船模试验。 关键词 拖网渔船 ； CFD； FLUENT； 船模试验 ； 数值模拟。 浙江海洋学院本科毕业论文 摘要 2 Trawler ship resistance Numerical Simulation Zhang YuQi Abstract In the shipbuilding industry, Always the performance of the ship owners are most concerned about, which speed become particularly important, If o
5、ptimize the hull of the linear,it can effectively reduce the resistance of the ship during the voyage, so that not only saves fuel, but also improve the efficiency of freight. With the extensive use of CFD technology in various fields, the numerical simulation has entered into the marine sector. In
6、this thesis, before the use of Fluent numerical simulation optimization, we should test and verify the dependence of numerical simulation parameters first of all. Then do the drag test of original model for the trawler ship , and compare with the resistance data of numerical simulation. The conclusi
7、on proved that the numerical simulation results and ship model testing results are consistent, the numerical simulation can replace the traditional ship model testing to a certain extent. Key Words trawler ship; CFD; FLUENT; model testing;numerical simulation. 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 3 一 前言 1.1 课题的目的与意义 船舶是
8、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 业 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。其中，渔船在渔业方面作出了很大 的贡献，为国家和渔民带来了很大的经济效益。我国渔船的发展十分迅速，是船舶中发展较快的船型。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 利 益，渔船的性能的研究显得越来越迫切。 对于我们所处的舟山地区来说，舟山渔场是我国的著名渔场。一直以来渔业捕捞是大多数人从事的行业，人们以海为生，以渔为生，渔船是从事渔业生产的一种必备工具。因此对渔船的设计建造的研究，优化渔船
9、性能，使设计的产品达到最合理状态，对提高 船舶 安全性和经济效益具有 非常 重要的意义。 我国造船业 现 已跻身国际市场 ,市场竞争日趋激烈 ,船东的要求也越来高 ,不仅要求有低廉的船价 ,而且对所订购的船舶要求有优良的性能 “为了夺得更多的竞标书 ,船厂根据船东的要求往往希望在已定的某些主尺度要素及主机功率情况下 ,能 够 迅速提供出性能优良的船舶线型 ,并预报出具有竞争力的航速 ,因为航速同能耗指标是休戚相关的 。 这就对船舶研究及设计部门提出了更高的要求 ， 通过多年来的试验研究工作 ,发现在同样的主要尺度要素及主机功率情况下 ,由于选用了不同的船形 ,其船舶性能及航速会有很大 的 差异
10、 ,航速有时相差几乎近 1.0km,或在相同的航速下可使主机功率下降达 20%，这就说明如果船形 比 较优良 ,在不采用其它附加节能装置的情况下 ， 同样能取得很好的节能效果 ,并且节能效果还是很显著的。 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。 例如 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。 1.2 世界渔船的发展概况 1.2
11、.1 渔船发展的适应性调整 （ 1）渔船数量的减少 渔船数量减少的趋势很明显， 例 如欧盟渔业官员在欧洲各国已经采取一些保护资源的措施后仍然认为 渔船 数量 太多 ，这样就会产生 过度捕捞 。泰国最大的渔船队经营者要求政府将国内扑鱼船的数量削减一半 。 日本远洋底拽网渔业协会于 2001 年 7 月 18 日宣布解散，原因是这个曾经拥有 771 艘渔船协会在 99 年只剩下 44 艘，进入 2000 年后仅剩下 14 艘，再如日本在北方的大洋性拖网渔船 93 年有 16 艘，到 99 年后 就只 剩下 6 艘，在新西兰、北美东岸、浙江海洋学院本科毕业论文 正文 4 阿根廷等渔场作业 93 年有
12、 33 艘 ,现在只有 14 艘 。 韩国 90-96 年减少 307 艘， 97-99 年又 减少了 1149 艘。我国到 2010 年将减少 3 万艘，即由 222000 艘减到 192000 艘，渔船数量之所以减少，主要是因为渔船适应渔业资源的数量受到限制的缘故。 （ 2）渔船种类、尺度等变化 由于底层鱼类资源情况不佳使得那些作业于中上层水域的渔船包括延绳钓船、金枪鱼围网船以及普通围网船 数量 迅速增加，俄罗斯一次就订购 30 艘总长为 52.5m 的延绳钓船，西班牙为利比亚建造了 4 艘总长为 60m 的双甲板延绳钓船，就连非洲的纳米比亚在 2005 年都拥有大型中层拖网船，总长为 1
13、04m。 据说这是 5 艘大型中层拖网船中的 1 艘，西班牙在 1999 年就拥有总长为 116m 的金枪鱼围网渔船，欧洲一些国家为了迅速发展中上层水域的渔船，纷纷在第三世界国家建造用于中上层水域的渔船，如冰岛连续在智利建造大型围拖网船，总长分别为 70.2m 和 68.3m，挪威也建造了大型围拖网船，总长为 68.3m，秘鲁曾为法国建造总长为55.49m 延绳钓船。联合国 海洋法公约 出台，对世界渔船发展也是有影响的， 200 海里专属经济区的划分，使目前渔船船型在尺度上有向两头发展的趋势，一种是在近海作业的小型渔船；一种是到距基地港更远的新开发渔场去作业的大型渔船。西班牙自 90 年建成当
14、时世 界上最大金枪鱼围网船（总长 105m,型宽 16.2m,型深 10.2m,主机功率 5300kw,航速 17kn)后，到 2004 年又建成多艘总长为 115m 的金枪鱼围网船，该船型有渔舱 3250m3，日冻结能力为 150t。 2004年，挪威建成 94m 拖围混合渔船，该渔船型宽 17.6m，型深 10.1m，主机功率 6000kw，航速21kn。 2001 年爱尔兰建成总长为 144.62m 中层拖网船，该船日冻结能力为 350t。荷兰在建成总长为 140.8m，渔舱 11320m3，日冻结能力为 300t 大型艉滑道渔船之后，于 2004 年建成总长为 89.2m 金枪鱼围网船
15、，主机功率 4400kw，航速 18kn。也在 2004 年，加拿大在国外订购了 75m 加工母船；我国台湾建成总长为 70m 的鱿鱼钓，冷藏舱为 1160m3，冻结舱为 230m3，自持力 180 天；波兰为挪威建造了大型围拖渔船，总长为 60.4m，型宽 12.6m，型深 8.1m，主机功率 2880kw。目前，西班牙还在建造长为 95m 的金枪鱼围网船（垂线间长为 82m，型宽15.2m），冻结舱容量为每天 200 吨，鱼糜冻结舱容量为每天 5 吨，温度 -55bC，主机功率 6000kw，航速 18kn，轴带发电机为 1200kw。除了大型渔船外，小型渔船也在发展，丹麦建造了一大批总长
16、为 14.5m，型宽 5.45m 的小型渔船，为适应渔民需要，这种渔船的驾驶室极其有关设备都不固定，而是根据渔民需要来安装。波兰为挪威建造了一些总长为 19.99m 扑蟹船以及总长为19.8m 扑虾船。 1.2.2 渔船捕捞技术的新发展 捕捞效率有所提高，渔船数量减少，但捕捞量却 并没有 减少，这是 因为 随着技术进步，捕捞技术提高的缘故。 Net 公司 JFD 型 182 中层拖网 12 分钟捕捞鱼获 940 吨。冰岛 Hampidijan公司发明的自扩张拖网，由于不用网板从而减少了网具在水中 的振动，有助于增加鱼获，又如美国 Seascan 飞行器，长仅 1.2m，巡航速度可达 49km，
17、来探测金枪鱼，这对瞄准扑捞极有帮助，大大地提高了扑捞效率，这种飞行器实际上就是无人驾驶飞机。挪威 Remoysea 集团公司采用三联网作业，据说鱼获量比本来的双联网增加 30%-40%.欧洲还出现了延绳钓船用的自动延绳钓系统，这种系统，它包括以下四个部分：装饵机、钩钓分离器、轨道滚轮和钩钓清理器的操作系统、钩与绳的储存系统。还有磁性渔网捕鱼技术，在同样水域可提高 20%-80%，所谓磁性渔网，就是在网片边缘系上若干永久性磁铁代 替网坠，形成磁性网片组成围网。德浙江海洋学院本科毕业论文 正文 5 国 Rofia 公司研制出一种网具在水中很快张开并飞起来，称为飞网，从而能迅速地进行捕捞。美国一家公
18、司研制出 Magellan 金枪鱼跟踪浮标安装在集鱼装置上，包括一个 Gps，一个海水温度传感器，一个通讯装置，船长可通过发来的资料进行分析，迅速判断鱼群所在位置，进行瞄准捕捞。 1.3 CFD 研究 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 太 长，资金投入 量 大， 而 且不便于改进设计。伴随着计算机技术的迅速崛起和发展，计算流 体动力学 (Computational Fluid Dynamics，简称 CFD)作为一门独立的学科在近三十年成为流体力学和应用数学的热门研究内容。它是通过计算机来模拟相关的物理现象进行分析的
19、一种方法，与传统的模型试验相比，更为经济、高效。近些年来，随着 CFD 技术的日 趋 成熟，涌现出了各种商业化 CFD 通用软件，如 :FLUENT, CFX, STAR-CD 等。本设计主要是利用商业 CFD 软件 FLUENT 来进行渔船的线型优化设计，为船舶的水动力性能研究和改进提供参考，也为在船舶性能研究中运用 CFD 技术，提供一种新思路 、新方法和新手段。 伴随着 CFD 学科的不断发展，各种 CFD 通用 软件 陆续出现，成为商业化软件，人们开始借助成熟的商业化 CFD 通用软件进行船舶粘性绕流的数值模拟和船舶水动力计算，但多体船采用此方法还为数不多。不过，就我国现在的 CFD
20、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
21、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。 现在， 对 船舶 CFD 的研究，特别是对粘性流的研究，在国内外都投入了巨大的人力物 力，正处于一个良好的高速发展时期。国外在高性能计算机和比较成熟的软件工程技术的支持下，以发展粘性流的 CFD 为先导，开发了不少新型舰船及水中兵器，在船舶领域重要的仿真、降噪等高新技术也得到了极大的提高，从而也使国防科技水平上了一个新台阶 。 1.4 FLUENT 的 介绍 FLUENT 是一款用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动和热交换问题的专用 CFD软件。
22、 FLUENT 的软件设计基于 CFD 软件群的思想，它针对不同流动的物理特点，采用最佳的数值解法，从而在计算速度、稳定性和精度等方面达到优化组合，便于高效地解决各领 域的复杂流动计算问题，合理地模拟流动、传热和化学反应等物理现象。同时， 软件群 中各软浙江海洋学院本科毕业论文 正文 6 件采用统一的前后端处理工具，可方便地进行数值交换，这就为 FLUENT 的通用化奠定了基础。 FLUENT 可以用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。它提供了灵活性的网格特性，可以使用结构网格、非结构网格以及混合网格来解决复杂的流动问题。 FLUENT还拥有多种基于解的网格自适应技术以及网格动态自适
23、应技术，对于捕捉非常复杂的物理现象极为有利。 GAMBIT, TGrid,PREPDF, Geomesh 与 FLUENT 有极好的 相容性。 GAMBIT 还被作为 FLUENT 的前处理软件使用，它可以读取多种 CAD 或 CAE 软件所生成的各种几何或网格模型。 1.4.1 程序结构 ： （ 1） GAMBIT前处 软件 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
24、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 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
25、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, FD
26、IAP,POLYFLOW 等求解器所需要的网格文件。 （ 2） FLUENT-解答 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， 我们 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，这一特点很明显 地减少了产生 好 网格所需要的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细化方法变得
27、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，高效浙江海洋学院本科毕业论文 正文 7 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 dialect写就的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数
28、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。 利用 FLUENT 软件进行流体
29、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 解答 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)用非结构自适应网格模拟 2D 或者 3D 流场，它所使用的非结构网格主要有三角形 /五边形、四边形 /五边形，或者混合网格
30、，其中混合网格有棱柱形和金字塔形。（一致网格和悬挂节点网格都可以） (2)不可压或可压流动 (3)定常状态或者过渡分析 (4)无粘，层流和湍流 (5)牛顿流或者非牛顿流 (6)对流热传导，包括自然对流和强迫对流 (7)耦合热传导和对流 (8)辐射热传导模型 (9)惯性（静 止）坐标系非惯性（旋转）坐标系模型 (10)多重运动参考框架，包括滑动网格界面和 rotor/stator interaction modeling 的混合界面 (11)化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型 (12)热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源 (13)粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算
31、，包括了和连续相的耦合 (14)多孔流动 (15)一维风扇 /热交换模型 (16)两相流，包括气穴现象 (17)复杂外形的自由表面流动 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 8 1.5 本设计的主要研究内容 本项目采用现代粘性流 CFD 数值技术对 小型钢质座机渔船 船型阻力试验进行数值模拟，并进行实船阻力和有效功率预报，主要内容包括以下几个方面： （ 1）三维船体几何建模。根据型线图，采用专业前处理软件 GAMBIT进行船体几何建模。 （ 2）数值计算。以船体为中心，确定有效的计算区域，并在船体表面和计算域生成高质量网格，通过数值求解粘性流体控制方程 RANSE，获取流场信息和阻力值。 （ 3）实船阻力和有效功率计算。通过对数值模拟得到的模型阻力结果进行三因次换算，得出相应航速下实船的总阻力值以及所需的有效功率。
