基于CFD的船体污损阻力影响研究毕业论文
2020-02-19 09:17:54
摘 要
随着国际贸易的加强，船舶作为海运的运载工具，其经济性能被提出更高的要求。对船舶阻力有效的预报有利于提高其使用寿命，降低其能源消耗，达到节能减排的目的。本文在计算性流体力学（CFD）的基础上，主要采用FLUENT软件，对船舶粘性阻力进行预测。主要研究了由于海洋污损生物带来的船舶阻力变化。采用Wigley和KVLCC2两种船型，并对其进行仿真。首先对船型进行三维建模，导入STAR-CCM 软件中划分网格，最后在FLUNET软件中计算。将数值计算结果与标准船模阻力测量结果进行比较，验证仿真精度。
分析仿真得到的数据结果，从而对两种船型的阻力进行预报。研究结果表明对于Wigley船型，实际航行中在设计航速下减小40%时，船舶阻力系数变化最大且为3.85%；随污损生物生长时，其高度由0mm生长到0.9mm时对船舶阻力系数影响较大，增阻95.9%；污损生物附着于船首处较船尾处阻力系数变化明显，增阻39.03%。
对于KVLCC2船型，实际航行中在设计航速下减小40%时，船舶阻力系数变化最大且为4.40%；随污损生物生长时，其高度由0mm生长到0.9mm时对船舶阻力系数影响较大，增阻66.84%；污损生物附着于船首处较船尾处阻力系数变化明显，增阻0.96%。
以上表明表面污损生物对船舶粘性阻力系数的影响是多方面的，本文所得研究结果可为由海洋污损生物引起的船舶阻力做出预报。
详细工作如下：
第1章，对本文研究背景和意义做出简要说明。介绍了计算性流体力学（CFD）的发展和船舶阻力的基本概念。同时概括了本文主要的研究内容。
第2章，研究船舶主要污损物——藤壶。对其附着形式与形态进行研究，并抽象出附着于船体的物理模型。
第3章，对标准船模进行CFD仿真计算，与阻力测量结果进行比较，验证仿真精度。利用SOLIDWORKS软件进行三维建模，STAR-CCM 划分网格，FLUENT进行仿真计算。将污损物附着的物理模型应用于船体。对有污损物附着的船体进行CFD仿真计算，得到数值计算结果。
第4章，运用Tecplot软件对所得数据结果进行后处理，并对所得压力云图进行分析。
第5章，总结全文得到结论，并归纳创新点，在此基础上提出研究展望。
关键词：CFD；船舶阻力；数值模拟；污损附着物
Abstract
With the development of international trade, as the carrier of shipping, ships are highly required for their economic performance. To achieve the goal of energy saving and emission reduction, the effective prediction of ship resistance is conducive to improving their service time and reducing their energy consumption. Based on Computational Fluid Dynamics (CFD), FLUENT is mainly used to predict ship resistance in this paper. The change of ship resistance caused by marine biofouling is studied. Three ship types of Wigley and KVLCC2 are adopted to do simulating.
The increased viscous drag coefficient of Wigley increases with the increase of the speed and the height of the fouling, which can increase by up to 95.9%. And viscous drag coefficient of KVLCC2 can increase by up to 66.84%.
The following are the concrete parts:
In the first chapter, the background and significance of the study are briefly described. The development of Computational Fluid Dynamics (CFD) and the basic concept of ship resistance are introduced. At the same time, the main contents of this paper are summarized.
In the second chapter, as the main biofouling, barnacles are studied. The form of them attaching to the hull are studied, and then abstracted to a physical model.
In the third chapter, the CFD simulation of the standard ship model is carried out. Compared with the resistance measurement results, the accuracy of the simulation is verified. SOLIDWORKS software is used for 3D modeling, STAR-CCM for meshing and FLUENT for simulation. The physical models of biofouling are attached to the hull. The CFD simulation of the hull with biofouling is carried out, and the numerical results are obtained.
In the fourth chapter, the data results were post-processed using Tecplot software and the pressure contours was analyzed.
In the fifth chapter, full text and innovation points are summarized to draw the conclusions, on this basis, put forward the research prospects.
Key Words：CFD；ship resistance；numerical simulation；biofouling
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究的目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 计算性流体力学的发展概况 3
1.4 船舶阻力的成因与分类 5
1.5 论文研究内容及组织结构 6
1.5.1 论文研究内容 6
1.5.2 论文组织结构 6
第2章 船体污损生物的附着形式研究 8
2.1 船体表面海洋污损生物形成过程 8
2.2 污损生物附着的影响因素 8
2.3 污损生物附着的物理模型 9
2.4 本章小结 11
第3章 标准船模的CFD仿真计算 12
3.1 Wigley标准船模的CFD仿真计算 12
3.1.1 三维建模 12
3.1.2 计算域 12
3.1.3 网格划分 13
3.1.4 FLUENT求解器设置 15
3.1.5 不同参数对阻力系数的影响 15
3.2 KVLCC2标准船模的CFD仿真计算 19
3.2.1 三维建模 19
3.2.2 计算域 20
3.2.3 网格划分 20
3.2.4 FLUENT求解器设置 22
3.2.5 不同参数对阻力系数的影响 22
3.3 本章小结 26
第4章 后处理与结果分析 27
4.1 Wigley船型 27
4.1.1 傅汝得数 27
4.1.2 污损生物高度 29
4.1.3 污损生物附着位置 32
4.2 KVLCC2船型 34
4.2.1 傅汝得数 34
4.2.2 污损生物高度 36
4.2.3 污损附着位置 38
第5章 总结与展望 40
5.1 全文总结 40
5.2 创新点 40
5.3 研究展望 41
参考文献 42
致 谢 44
绪论
研究的目的和意义
船舶的主要性能包括抗沉性、浮性、稳定性、耐波性、操纵性、快速性等，其经济性能性主要受船舶阻力的影响[1]。船舶经济性能是评估船舶性能的重要参数之一，所以在对船舶进行设计时应给出明确的经济性能指标，这就要求我们研究经济性能的重要影响因素之一——船舶阻力。随着当代社会的发展，国际贸易的加强，海运渐渐成为货物运输最主要的方式之一。在现代化发展的节能减排的主题下，船舶作为海运的运载工具，其经济性能被提出了更高的要求。
对航行中船舶的阻力进行研究，可以对船舶进行设计方面的优化，从而提高船舶的经济性能。由于船舶在实际航行过程中的阻力包括了来自空气和水的阻力，且由水导致的船舶阻力占船舶阻力的主要组成部分，因此本文主要研究航行中的船舶来自水的阻力。与此同时，来自水的阻力可分为摩擦阻力、粘性阻力和兴波阻力[2]，现实中的介质水具有粘性产生了船舶所受的摩擦阻力和粘性阻力，船舶所受重力的作用和自由液面的影响产生了兴波阻力。由于受到所学理论知识的限制和实验条件的约束，本文主要对航行中船舶的粘性阻力进行研究，暂且不考虑由于兴波阻力产生的影响。
在实际情况中，航行了一段时间过后，船底表面由于污损生物附着或微生物腐蚀等将变得不再光滑，从而改变的船底的污损生物高度，这些因素必然会对船舶阻力产生影响并使其增大，对行驶中的船舶所受粘性阻力产生一定影响，同时也对船舶摩擦阻力有着更为显著的影响，造成巨大的经济损失，并且加快船底材料的腐蚀速率，降低其使用寿命。因此，研究船舶阻力增加的原因，并对其阻力变化趋势进行前期预报，有利于提前采取相应措施减小船舶阻力和油耗、提高船舶经济性和延长使用寿命。
研究船舶阻力增加的主要因素——船体污损生物，对其经济性能的评判有着重要的意义。本文将从此入手，运用CFD仿真技术及流体力学理论知识，研究海洋污损生物对船舶阻力变化的影响。首先对污损生物的生长过程及其附着机制进行研究，对其外貌、形状、大小等物理参数进行抽象，利用建模软件得到三维模型。之后选取Wigely和KVLCC2两种船型作为研究对象，选取不同的傅汝得数用来计算不同航速下的阻力变化，同时设置时间变量，对不同时间情况下船舶阻力进行预报，也改变污损附着物在船底不同位置的分布情况，以探究处在不同位置的污损生物对阻力变化的影响。最后通过与标准船模试验得到的数据对比，分析附着海洋污损生物后的船舶粘性阻力。
国内外研究现状
目前研究背景下，主要有三种方法对船舶阻力进行预报，分别是：理论研究方法、试验方法和数值模拟方法[3]。
理论研究方法是在船舶设计的初期阶段，即未建立型线，只能用流体力学基础方法对船舶阻力进行理论研究分析。根据事实现象，对船舶力学进行抽象，并利用数学工具和基本理论进行分析。此方法虽发展迅速，有很大进展，但未被普遍运用于船舶设计和制造中。用计算、推理、修正等方法来对船舶阻力进行近似估算，对船舶阻力的预报起到参考的作用。主要方法有：以船模实验或实船试验为基础的母型船估算法、经验公式估算法及图谱法。船模系列试验方法主要采用图谱法和回归公式估算阻力；经验公式估算法主要包括1957ITTC公式等；母型船估算法主要包括母型船剩余阻力修正法等[4]，可参考《船舶原理》等相关文献。
试验方法分为船模试验和实船试验，此方法为船舶阻力预报的主要方法。船模试验是通过对实船模型进行一定比例的缩放，在试验水池中模拟实船运动，测量所需要的数据，具有经济、简单的特点，同时也具有试验误差，如尺寸效应及试验环境的影响，需要对得到的结果进行修正。而实船试验则根据船模试验结果，预测在实船在实际航行情况下的各种性能是否达标，经济花费较大。
数值模拟方法是随计算流体力学的不断完善，计算机技术的提升而产生的试验方法。利用与改进新的计算方法和已有的计算方法，如有限体积法和差分法等。随之出现的可运用于船体周围流场模拟和阻力计算的软件，如FLUENT和CFX等，在船舶阻力的研究中发挥着越来越重要的作用。
采用理论研究方法、试验方法和数值模拟方法三种方法的目的，都是为设计建造高性能船舶服务，对探寻更优化的船型设计、更高效的新型船舶和更低能耗的绿色船舶息息相关。
船模试验方法是船舶阻力最主要的研究方法，从近几届的ITTC会议中了解，船模试验中已经运用很多最前沿的科学技术[5]，如：尾流场和湍流的研究中已经运用了PIV、LDV[6]等技术。近年来，不确定分析作为一个新概念渐渐被提出接受，对船模湿面积、船长和速度等的测量误差对形状因子、粘性阻力系数和总阻力系数等计算精度的影响[7]。并且Hess和Smith[8]在1962年采用叠模的方法来求解三维无升力绕流，这代表着使用计算机来研究流体力学的开端。目前船舶水动力研究的主要思路[6]，
图 1.1 ITTC水动力研究分析图
国内外研究发现，由于船舶在实际航行过程中，海洋污损生物会附着于船体表面，给船舶的运营带来巨大的损失，其负面影响主要表现在增大船舶航行阻力、增加燃油消耗量、加剧船体腐蚀等方面。但航行中的船舶，污损生物基本覆盖于浸水部位，但不同部位的污损生物程度不同，船首、船尾和船体存在较大差异。与此同时，在不同浸水深度、光照强度、污损生物对环境适应能力和海洋生物的物种多样的条件下，对船体造成的阻力影响程度不同。
计算性流体力学的发展概况
计算性流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics），是使用计算机仿真技术，通过对目标流体进行数值计算和图像显示，将流体系统相关物理信息做出的分析。CFD是第二次世界大战前后，产生的一门独立学科，建立在全Navier-Strokes方程（简称N-S方程）的基础上。N-S方程的解法可以分为下面4类：全N-S方程解法、平均雷诺数基础上的N-S方程解法、非线性非粘性流方法和线性非黏性流方法。总的来说，其随着社会科技的进步和计算机技术的革新，到目前为止，大致可以分为前处理、求解器和后处理三部分。前处理的步骤是生成物理模型，确定所求的几何计算域，对模型进行网格划分，根据抽象的物理模型选择相应控制方程及湍流模型，设置边界条件等内容；求解器是对模型加入相应的算法，完成求解，主要有有限差分法、有限元法、谱方法和有限体积法；后处理是对求解的结果进行有效处理，得到所需要的数据，并能清晰直观地表现出来，如等值线图、矢量图和动画输出等。
本文主要利用FLUENT软件，对船模进行处理计算。此软件中，可以将不同力的类型分为不可压缩、轻度压缩和高度压缩等[22]。并且包含有不同的屋里模型可供选择。除此之外，通过非结构性网格形式，仿真流体的结构，验证其方法的可行性，再进行划分网格，进一步计算求解，最终得到较为准确的计算结果，为理论分析和验证提出较为有力的数据支持。
本文在对模型进行网格划分时，采用STAR-CCM 软件。其对流体运动的控制方程如下：
（1）质量守恒方程：
（1-1）
其中——时间；
——流体的密度；
——在i方向上流体的速度；
——i方向的坐标。
（2）动量守恒方程：
（1-2）
其中 ——静压力；
——时间；
——i和j方向的坐标；
——流体速度沿i和j方向的分量；
——气体密度；
——应力矢量；
——i方向的重力分量。
（3）能量守恒方程：
（1-3）
其中 ——熵；
t——时间；
——i方向上的坐标
——i方向上流体速度的分量
T——温度；
——气体密度；
k——分子传导率；
——由湍流传递而引起的传导率；
——体积源。
船舶阻力的成因与分类
由于船舶在水中运动，引起水体的复杂流动，导致船体也受到水对其阻力的作用。船舶受到的阻力可分为以下三个部分，并对其产生原因做出说明：
（1）兴波阻力Rw。船体在水中行驶时，会使水在水面上产生波浪，船舶航行速度越快，产生的波浪就越明显。波浪作用在船体上，使船体表面压力变化，在船首尾处产生压力差。这种由兴起波浪引起的船舶首尾压力改变而产生的阻力叫做兴波阻力。
（2）摩擦阻力Rf。船体运动时，会带动边界层这部分水的运动。由于边界层厚度较薄，导致其内部速度变化较大，致使船体表面形成剪切应力。船体摩擦阻力就是剪切应力在船体行驶方向上的合力。
（3）粘压阻力Rpv。船体在航行过程中，由于水的粘性，一般会在船尾形成漩涡。产生漩涡的地方通常压力较小，由此产生了船舶首尾的压力差。由这种压力差产生的阻力叫做粘压阻力。
阻力的分类如下图 1.2所示。
图 1.2船舶阻力的分类
由于空气阻力很小，占总阻力的比例小，故可以忽略不计。因此船体总阻力。
论文研究内容及组织结构
论文研究内容
本文以Wigley和KVLCC2两种种船型为研究对象，首先对污损生物的生长过程及其附着机制进行研究，对其物理参数进行抽象，利用建模软件得到三维模型。选取不同的傅汝得数，同时设置时间变量，也改变污损附着物在船底不同位置的分布情况，以探究处在不同位置的污损生物对阻力变化的影响。运用CFD仿真技术对船舶阻力进行计算，得到计算结果，并与标准船模试验得到的实验结果对比，验证仿真方法的精度。主要内容包括：
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