fluent算例_船舶航行

1、CFD計算基礎(chǔ)課程homeworkfluent目錄一、問題描述1二、建立模型22.1創(chuàng)建船體附近流域22.2確定邊界條件，4三、用fluent進(jìn)行求解計算43.1導(dǎo)入并檢查網(wǎng)格43.2設(shè)置求解器參數(shù)53.3設(shè)置流體屬性，選定空氣和水63.4設(shè)置基本項和第一相63.5設(shè)置操作環(huán)境63.6設(shè)置邊界條件63.7設(shè)置求解方法73.8流場初始化73.9定義初始空氣區(qū)域83.10查看船體的初始濕面積83.11設(shè)置殘差監(jiān)視器以與升、阻力監(jiān)視器83.12求解計算83.13升力報告103.14計算成果圖10四、第一次調(diào)整水線12五、根據(jù)水線調(diào)整進(jìn)行第二次建模13六、對二次模型進(jìn)行計算求解136.1升力報告136

2、.2計算成果圖136.3計算結(jié)果分析15七、第二次調(diào)整水線15八、根據(jù)水線調(diào)整進(jìn)行第三次建模16九、對三次模型進(jìn)行求解計算16一、 問題描述一艘假想船，設(shè)船體高H=2m，船底長L=10m，船艏與水平線夾角=45º；船頭裝有a=1m的壓浪板，壓浪板和水線的夾角為=30º。見圖1.1。若船體單位寬度上重為G=mg=17.5*103*9.81kg并以速度V=18km/h=5m/s均速行駛在平靜的河水里，試研究此船舶的行駛過程和行駛阻力。見圖1.1分析（1） 這應(yīng)該是一個三維流動問題，為簡化計算，采用二維模型。即假設(shè)船體無限寬，忽略船體側(cè)面對流動的影響。（2） 這是一個紊流流動問題

3、，由于船體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，必然引起紊流流動。（3） 這是一個氣、液兩相流問題，船體上部為空氣，下部為水。船舶在航行過程中必然引起水與空氣之間的相互作用，并產(chǎn)生波浪。（4） 在仿真計算過程中，氣液交界面的變化是一個逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)的過程，故應(yīng)該采用非穩(wěn)定的計算方法。（5） 在船舶行駛過程中會對船體產(chǎn)生動升力，必然會引起船體的上下運動，并且影響船體的行駛阻力。（6） 船舶行駛過程中，在鉛直方向有水的靜浮力Ff和動升力Fd，由力的平衡可得，二者之和應(yīng)等于船舶質(zhì)量G。假設(shè)靜浮力Ff為船舶質(zhì)量的60%，即Ff=G,=0.6，由于浮力等于船舶排開水的質(zhì)量，故有G=gLh+12h2h=L2+2Gg-L=102+

4、2×0.6×17500×9.81998.2×9.81-10=1.0m得到初始水線為h=1.0m。假設(shè)船舶行駛過程中的靜浮力不變，若計算得到船體動升力為Fd=1-G=0.4G，則船舶處于平衡狀態(tài)，計算結(jié)束。（7） 流動區(qū)域的設(shè)置。見圖1.2a) 設(shè)水線下水深為L，水下邊界為固壁。b) 水線上面流域為2L高，初始為空氣。c) 船舶前面流域沿流動方向長為3L。d) 船舶后部流域沿流動方向距離為5L。e) 船舶附近設(shè)置一個較小區(qū)域，便于對船體附近網(wǎng)格加密，以與改變水線后的建模。圖1.2二、 建立模型2.1創(chuàng)建船體附近流域?qū)腙P(guān)鍵點，連接各點創(chuàng)建線，將船體和壓浪板

5、向下移動1.0m(初始水線為1.0m)，根據(jù)線創(chuàng)建面，創(chuàng)建網(wǎng)格，先創(chuàng)建線網(wǎng)格點分布，之后用map創(chuàng)建面網(wǎng)格，創(chuàng)建外圍流域點、線、面與網(wǎng)格，網(wǎng)格創(chuàng)建方式類似于部流域，但為了減少計算量，外圍流域按一定比例逐漸變稀，在網(wǎng)格劃分過程中我們共嘗試采取三種網(wǎng)格布置，第一種網(wǎng)格布置（見圖2.1）網(wǎng)格劃分過密，計算量過大，計算耗時過長；第二種網(wǎng)格布置（見圖2.2）網(wǎng)格劃分過稀，計算結(jié)果難以收斂；綜合各方面因素，最終采取第三種網(wǎng)格布置（見圖2.3），既能保證計算精度，又相對耗時較短。圖2.1圖2.2圖2.32.2確定邊界條件，見圖2.4圖2.4Gambit導(dǎo)出mesh文件命名為ship2d1.msh。退出并保存

6、session。三、 用fluent進(jìn)行求解計算3.1導(dǎo)入并檢查網(wǎng)格見圖3.1圖3.13.2設(shè)置求解器參數(shù)見圖3.2、3.3 選擇VOF兩相流計算模型，選擇k-epsilon紊流模型。圖3.2 圖3.33.3設(shè)置流體屬性，選定空氣和水見圖3.4圖3.43.4設(shè)置基本項和第一相基本相是水（water），第一相是空氣（air），見圖3.5圖3.53.5設(shè)置操作環(huán)境重力加速度9.81m/s2，方向向下，操作環(huán)境密度1.225kg/m3，見圖3.6圖3.63.6設(shè)置邊界條件將空氣入流（inlet-air）和水入流（inlet-water）的入流速度（velocity-inlet）均設(shè)為5m/s，以與流

7、域底部（bottom）的邊界條件設(shè)為移動墻（moving wall），速度為5m/s。3.7設(shè)置求解方法見圖3.7圖3.73.8流場初始化見圖3.8圖3.83.9定義初始空氣區(qū)域見圖3.9圖3.93.10查看船體的初始濕面積見圖3.10圖3.10軟件默認(rèn)船體寬為1，所以初始時刻船體的濕面積計算方法：A0=L+h+2h×1=10+1+2×1×1=12.4143.11設(shè)置殘差監(jiān)視器以與升、阻力監(jiān)視器3.12求解計算首先進(jìn)行500個時間間隔的迭代計算，每個時間間隔為0.001秒，共0.5秒的時間，設(shè)置每個時間間隔最多迭代50次。因為不確定求解至收斂所需時間，所以計算結(jié)果

8、不斷增加時間間隔數(shù)目，最后總共進(jìn)行了27002個時間間隔的迭代計算（由于第一次計算的殘差監(jiān)視曲線和升、阻力監(jiān)視曲線的圖像忘記保存，這里附圖為第二次計算的曲線，兩次計算過程的性質(zhì)類似，殘差曲線見圖3.11，升力曲線見圖3.12，阻力曲線見圖3.13）（由于計算量較大，最后時間沒有把握好，望老師諒解）圖3.11圖3.12圖3.133.13升力報告見圖3.14圖3.143.14計算成果圖a) 水氣分布云圖3.15圖3.15b) 壓力分布云圖3.16圖3.16c) 速度分布矢量圖3.17圖3.17四、 第一次調(diào)整水線在行駛過程中，船體所受到的力既有水對其的浮力，又有水流和氣流對其對其產(chǎn)生的阻力和動升力

9、。鉛直方向受到重力、浮力和動升力的作用達(dá)到平衡狀態(tài)。最初的靜浮力和動升力的比例是根據(jù)經(jīng)驗假定而來的，所以需要根據(jù)實際情況對水線進(jìn)行調(diào)整。水線調(diào)整的原則是：船體的浮力+動升力=船體的重力Fd+Ff=G但此時Fd+Ff=0.6×17.5×103×9.81+46525=149530NG=17.5×103×9.81=171675NF=G-Fd+Ff=171675-149530=22145N由于Fd+Ff<G，必然會使船體有所下降，或水線有所上升。船體排水體積Vp與水線h的關(guān)系如下：Vp=Lh+12h2水線h上升h將使排水體積增加Vp，則有Vp=（

10、L+h）h+12（h）2如果將相差力F的60%轉(zhuǎn)換為浮力的增大，即gVp=F=0.6F，則h=L+h2+2Fg-L+h=10+12+2×0.6×22145998.2×9.81-10+1=0.122水線應(yīng)上升0.122m，即水線變成h=1.122m，船體的排水面積增大了Vp=L+hh+12h2=1.349m3所以Vp=Lh+12h2+Vp=11.849水對船體的靜浮力gVp=116.029KN，另外由于船重171.675KN，故所需要的動升力為Fd=G-Ff=171.675-116.029=55.646KN若計算結(jié)果恰好等于所需的值，則船體處于平衡狀態(tài)中，計算結(jié)束，

11、否則還需要進(jìn)一步調(diào)整。五、 根據(jù)水線調(diào)整進(jìn)行第二次建模將空氣進(jìn)口和水進(jìn)口的交界點提高0.122m，新建的模型如圖5.1圖5.1六、 對二次模型進(jìn)行計算求解求解方法和過程同第一次類似，這里不再詳述，僅介紹計算結(jié)果。6.1升力報告見圖6.1圖6.16.2計算成果圖a) 水氣分布云圖6.2圖6.2b) 壓力分布云圖6.3圖6.3c) 速度分布矢量圖6.4圖6.46.3計算結(jié)果分析船體動升力Fd=41.322KN，比預(yù)計少了55.646KN少了14.324KN，還需要進(jìn)一步調(diào)整水線。七、 第二次調(diào)整水線此時F=G-Fd+Ff=14.324KNh=L+h2+2Fg-L+h=10+1.1222+2×0.6×14324998.2×9.81-10+1.122=0.079水線再上升0.079，即水線變?yōu)?.201，船體的排水體積變?yōu)閂p=L(h+h)+12h+h2=12.73m3水對船體的靜浮力gVp=124.657KN，另外由于船重171.675KN，故所需要的動