本文關鍵詞：船槳舵相互作用的重疊網格技術數(shù)值方法研究

  更多相關文章： CFD 重疊網格 OpenFOAM naoe-FOAM-SJTU naoeFoam-os-SJTU 自航推進 操縱性 耐波性

【摘要】：隨著計算機技術和數(shù)值方法的飛速發(fā)展,計算流體力學方法(CFD)開始活躍于船舶與海洋工程的各個領域當中,已有越來越多研究工作基于CFD方法開展研究。然而CFD在船舶與海洋工程中的發(fā)展一直受困于多個瓶頸。其中一個關鍵問題就是動網格技術。在實際船舶工程問題當中,船舶上會安裝螺旋槳、舵等活動附體。這些活動附體會對船體的受力和運動等產生較大的影響。在處理這類船、槳、舵相互作用的問題上,不僅需要處理船舶在自由面上的六個自由度運動,同時還需要考慮螺旋槳和舵相對于船體的旋轉運動。傳統(tǒng)的動網格方法很難同時處理船、槳、舵三者的耦合運動。重疊網格方法是解決這類問題的有效方法之一,并實現(xiàn)船、槳、舵相互作用的數(shù)值模擬。重疊網格技術可以破除物體與網格之間的約束關系,能夠使船體在自由面上擁有大幅度六自由度運動的同時,讓各類附體相對于船體自由地轉動。在重疊網格的幫助下,能夠有效解決船、槳、舵相互配合等復雜問題的計算。本博士論文的目標是基于開源代碼OpenFOAM,深入研究和開發(fā)重疊網格技術,并使用重疊網格技術來實現(xiàn)船、槳、舵相互作用等問題的數(shù)值計算。本文在基于OpenFOAM的數(shù)值方法、數(shù)據(jù)存儲方式以及非結構網格的特點上,利用SUGGAR程序生成重疊網格的插值信息,開發(fā)出了重疊網格模塊。在該模塊的開發(fā)過程中分為靜態(tài)重疊網格和動態(tài)重疊網格方法兩部分。在靜態(tài)重疊網格開發(fā)中,完成了并行化等功能的優(yōu)化,提高計算效率,并統(tǒng)一模塊接口,使OpenFOAM中的任意控制方程均可以通過該模塊來實現(xiàn)重疊網格方法。在并行化過程中,將用于重疊網格通信的插值信息進行重新編號和有效分塊,并利用MPI將每塊的插值信息傳遞給對應進程。在插值信息分塊過程中,根據(jù)網格區(qū)域分塊的結果進行有效處理,只傳遞給每個進程所需的信息,避免多余信息的傳遞,以提高并行效率。與此同時,為了提高重疊網格模塊的通用性,并且使其能夠用于其它問題以及數(shù)學模型當中,本文利用了C++語言中的面向對象的編程思想,公用接口采用抽象類的方法,使函數(shù)接口統(tǒng)一。在動態(tài)重疊網格的開發(fā)中,本文完成了多級物體運動模塊的開發(fā)以及通信模式的優(yōu)化。在多級物體運動模塊中,船體作為父物體在自由面上進行六自由度運動的同時,螺旋槳和舵作為子物體還能相對于船體進行轉動。利用該模塊可以實現(xiàn)船、槳、舵相互配合等問題的CFD計算。同時本文基于MPI完成Open FOAM與SUGGAR之間的通信模式的優(yōu)化。該優(yōu)化方法將OpenFOAM與SUGGAR分別置于不同進程中運行,并利用延遲算法,使兩者能夠同時進行計算,有效解決普通動態(tài)重疊方法中CFD計算進程閑置的問題,從而大幅度減少動態(tài)問題中的計算時間。為了有效解決計算船舶水動力學中的船、槳、舵配合等問題,本文將重疊網格方法與開源CFD工具箱OpenFOAM相結合,開發(fā)出面向船舶與海洋工程水動力學的數(shù)值求解器naoeFoam-os-SJTU。該求解器具有動態(tài)重疊網格的處理計算能力,以及針對重疊網格方法所開發(fā)的多級物體的六自由度運動模塊,能夠用于實現(xiàn)船、槳、舵的相互作用和運動耦合等復雜問題的計算。為了驗證該重疊網格模塊以及展示重疊網格方法在處理各類復雜問題時的能力,本文進行了自航推進、自航操縱和帶槳耐波性三部分算例的驗證。第一部分是KCS的自航推進問題。利用重疊網格,解決螺旋槳在船后的旋轉問題,完成KCS帶槳的自航推進問題的計算,并得出KCS的自航推進因子。第二部分為船舶帶槳、帶舵的自航操縱問題。在自航操縱計算中,船舶具有六個自由度的運動,并且由螺旋槳提供船舶前行的推力、由舵提供船舶轉向的力矩。計算的算例包括KCS的Z形操縱模擬、全附體DTMB 5415M模型的Z型操縱和回轉操縱試驗計算。第三部分增加了波浪的因素,計算KCS船模在波浪中的螺旋槳推進和船體運動問題。所有算例中的螺旋槳和舵均通過重疊網格方法進行離散,并且能夠相對船體進行旋轉,以進行船、槳、舵的整體模擬。三部分算例均有模型試驗測量結果進行比較和驗證,并得到令人滿意的比較結果,充分驗證了重疊網格方法在處理這類船、槳、舵相互作用問題上的有效性和準確性。通過這三部分算例的計算和驗證,證明了重疊網格方法能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)動網格方法所無法實現(xiàn)的船、槳、舵配合等復雜問題的計算,大幅擴展CFD在船舶水動力學中的應用范圍。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U661

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張志榮,李百齊,趙峰;螺旋槳/船體粘性流場的整體數(shù)值求解[J];船舶力學;2004年05期

2 吳乘勝;朱德祥;顧民;;數(shù)值波浪水池及頂浪中船舶水動力計算[J];船舶力學;2008年02期

3 沈興榮;馮學梅;蔡榮泉;;均流中大型集裝箱船槳舵干擾粘性流場的數(shù)值計算研究[J];船舶力學;2009年04期

4 謝云平;姚偉;糜成杰;張秀萍;;數(shù)值波浪水池與排水型高速船波浪增阻計算方法研究[J];船舶工程;2013年02期

5 王宏志;鄒早建;;Numerical Prediction of Hydrodynamic Forces on A Ship Passing Through A Lock[J];China Ocean Engineering;2014年03期

6 陳康;黃德波;;CFD技術在三體船阻力性能研究中的應用[J];哈爾濱工程大學學報;2006年03期

7 王金寶;蔡榮泉;馮學梅;;計及自由面興波和螺旋槳非定常旋轉效應的集裝箱船舶繞流場計算研究[J];水動力學研究與進展A輯;2007年04期

8 朱仁傳;繆國平;林兆偉;向紅貴;;運動船體甲板上浪的三維數(shù)值模擬[J];水動力學研究與進展A輯;2008年01期

9 向紅貴;朱仁傳;繆國平;范菊;;高速船甲板上浪的水體流動與沖擊[J];水動力學研究與進展A輯;2010年03期

10 楊春蕾;朱仁傳;繆國平;范菊;;基于RANS和DES法船體繞流模擬及不確定度分析[J];上海交通大學學報;2012年03期

，

本文編號：1231846