船舶横摇阻尼系数的计算与分析docx

　　船舶横摇阻尼系数的计算与分析 衰减系数是计算船舶抗波性的重要参数，是船舶波前运动的精确预测基础。船舶阻尼与其周围流体的流动特性密切相关,尤其是横摇阻尼非常复杂,至今尚无好的理论计算方法,只能通过船模实验获得。但船模实验存在费用高、周期长、不易改变船型等缺陷。 基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)理论的船舶水动力学数值模拟,因其具有费用低、无触点流场测量以及可获得较为详细的流场信息等优势,逐步成为船舶耐波性研究的热点问题。目前,国外学者在规则波中船舶纵向运动及静水横摇运动的水动力预报方面已经达到了一定精度。国内基于CFD理论的船舶耐波性研究相对落后,文献对wigley船模在规则波中顶浪运动进行了数值模拟;文献对某集装箱船模二维剖面扰流进行了数值模拟;文献对某起重船静水横摇实验进行了数值模拟。上述研究采用的船模线型及周围流场相对简单,针对复杂船型(如带球鼻首及方尾的军舰船模)的耐波性研究几乎没有。 以CFD理论为基础,基于商业软件Fluent平台进行二次开发,对DTMB5512驱逐舰船模的横摇衰减运动进行了数值模拟,并基于数值仿真结果计算了船模的横摇阻尼系数。数值计算结果与水池试验结果吻合良好。 1 计算值的方法 1.1 体积分数cq 对船舶运动来说,将水视作不可压缩粘性流体,其控制方程主要包括连续性方程、动量方程、湍流方程,各方程张量表示如下: ?ui?xi=0(1)?ui?t+??xj(uiuj)=-?Ρ?xi+??xj(μ?ui?xj-ˉu′iu′j)(2){?k?t+?kui?xi=??xj(ακμeff?k?xj)+GΚ+ε?ε?t+?εui?xi=??xj(αεμeff?ε?xj)+C*1εεκGΚ+C2εε2κ(3)?ui?xi=0(1)?ui?t+??xj(uiuj)=??P?xi+??xj(μ?ui?xj?u′iu′jˉˉˉˉˉˉˉˉˉ)(2)??????k?t+?kui?xi=??xj(ακμeff?k?xj)+GK+ε?ε?t+?εui?xi=??xj(αεμeff?ε?xj)+C?1εεκGK+C2εε2κ(3) 式(3)中:xi、xj为笛卡尔坐标方向,i、j=1, 2, 3;ui、u′i为xi方向速度时均值、脉动值;P为压力;t为时间;μ为运动粘性系数;k为湍动能;ε为湍流耗散率;其余参数计算如下: μeff=μ+μt;μt=ρCμk2/ε; Cμ=0.084 5;αk=αε=1.39; C*1ε=C1ε-η(1-η/η0)/(1+βη3); C1ε=1.42,C2ε=1.68; η=(2Eij·Eji)1/2k/ε; Eij=12(?ui?xj+?uj?xi)Eij=12(?ui?xj+?uj?xi)。 采用流体体积法模拟自由面(水与空气交界面),体积分数Cq的控制方程为: 1ρq[??t(Cqρq)+??(Cqρq→vq)]=2∑p=1(mpq-mqp)(4)1ρq[??t(Cqρq)+??(Cqρqv?q)]=∑p=12(mpq?mqp)(4) 式(4)中:mpq为从q相传输到p相的质量;ρq为第q相密度;t为时间。 1.2 船舶流场模拟 同船舶阻力及操纵性研究相比,基于CFD理论的舰船耐波性研究的主要特点是流固耦合运动,即船舶所受水动力及力矩驱动船体运动,而船体运动又同时影响周围流场,两者之间相互耦合。因此船体运动与流体流动的耦合计算是数值模拟的关键。采用计算步骤如下: 1)将船模按初始浮态固定,初始化流场。 2)以时间步长Δt步进。 3)迭代求解流场的压力—速度场。 4)计算船体横摇力矩M,由公式Ιxx¨φ=ΜIxxφ¨=M求解船体横摇角加速度¨φ?Ιxxφ¨?Ixx为横摇转动惯量。 5)角加速度积分,得横摇角速度˙φ=¨φΔtφ˙=φ¨Δt。 6)角速度积分,得横摇角变化量φ=˙φΔtφ=φ˙Δt。 7)更新船体浮态。 8)返回第“2)”步,并重复其以下步骤,直到设定的时间步数计算完毕。 2 消灭曲线为典型的船舶横摇衰减曲线。由衰减曲线可求相邻两振幅φk和φk+1的差Δφ=φk-φk+1及均值φm=(φk+φk+1)/2。以Δφ为纵轴、φm为横轴,作Δφ=f(φm)曲线,此曲线称为消灭曲线。可以证明,船舶横摇阻尼系数μφφ可通过式(5)计算: μφφ=Δφ/π?φm(5) 3 计算与结果比较的例子 3.1 船模和水池实验 取DTMB5512型船模作为模拟对象,其以美国DDG51型驱逐舰为原型,是ITTC(Intemational

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