DTMB5415船绕流场数值研究

陈志明 伍斯杰 黄晓恒

摘 要：本文以DTMB 5415船为研究对象，应用基于URANS方法的CFD方法进行DTMB 5415船设计状态下船舶绕流场研究，其中湍流模型应用SST模型，自由液面捕捉应用VOF方法；应用CFD方法对船舶阻力性能、自由表面兴波、船舶螺旋桨盘面处的标称伴流场以及尾部轴向速度场等进行数值模拟与分析；将设计状态下DTMB 5415船绕流场数值模拟值与实验值对比，其船舶阻力、自由表面兴波、螺旋桨盘面标称伴流场等的良好吻合证明了网格与数值方法的正确性。本文还对船舶尾部不同截面绕流场边界层厚度以及整船边界层分布进行了研究且与实验值进行了对比。

关键词：船舶绕流场；自由表面波形；标称伴流场； DTMB 5415船；CFD

中图分类号：U661.3 文献标识码：A

Abstract： This paper studies the ship field flow around the ship DTMB 5415 under design condition based on URANS method by using SST model and VOF method for free surface capture. CFD method is applied to numerical simulation and analysis of ship resistance performance， free surface wave， nominal wake field of ship propeller disk and axial velocity field of stern. The comparison and analysis of flow field simulation value and experiment value around ship DTMB 5415 under design condition and the good fit of ship resistance， free surface wave， and nominal wake field prove the validity of the grid and the numerical method. This paper also studies the flow field of boundary layer thickness and distribution and the boundary layer of different cross section around ship and compares it with the experimental value.

Key words： Ship flow field； Free surface wave contour line； Nominal wake field of propeller； DTMB 5415 ship； CFD

1 前言

在船舶绕流场的CFD研究中，Hamid Sadat-Hosseini等人對KVLCC2长、短迎浪首波状态下船身自由度开放与否的船舶运动与增阻进行了模拟，并与实验值进行对比，对计算波形进行分析，最后把不同时刻船舶尾流场与PIV测量值进行对比[1]；Y.Ahmed等人分别应用粘流与势流方法进行了VLCC船舶自由表面绕流场分析[2]；ZHANG Zhirong 应用RANS方法进行了带有自由表面的有无螺旋桨下KCS船舶的粘性绕流场分析，并与实验值进行对比[3]；J.E.Choi等人基于CFD方法对多艘肥大型船的阻力、推进以及绕流场等进行了数值分析[4]；Robert V.Wilson等人应用URANS方法进行了水面战舰的运动、绕流场等分析[5]；Jingsen Ma等人应用夹气亚格子模型进行了船身泡状流的模拟[6]；万德成等人应用水平集方法进行了Wigley船粘性绕流场的数值模拟[7]；王金宝等人进行了低速肥大船舶尾流场的数值模拟，尾流场模拟“钩状”效果明显[8]；W.J.Kim等人应用毕托耙、伺服探针浪高仪、立体摄像机等对KCS和KVLCC的船舶周围流场以及自由表面兴波进行了测量与研究[9]；Sang-Joon Lee等人应用PIV对Lpp=1.5 m的KCS船不同切面绕流场进行了测量，测量结果清晰的显示了船舶舭涡等流场特性[10]；Calcagno， G等人应用立体PIV对带有5叶桨的船模尾流场进行测量，该项研究展现出立体PIV在船舶尾流场测量领域的潜力[11]；Jung Yeop Lee等应用粒子图像测速仪对某集装箱船满载状态、压载状态下尾部伴流场进行了测量，得到船舶不同装载状态尾部精细流场[12]。以上研究充分证明了CFD进行船舶水动力性能的可靠性，也为本文压载状态下船舶绕流场的数值分析提供了借鉴。

本文进行了设计状态下DTMB 5415船绕流场的数值模拟，并与实验值进行对比。数值模拟得到的船舶阻力、自由表面兴波、螺旋桨盘面标称伴流场等与试验测量结果具有很好的吻合性，证明了本计算中网格与数值方法的正确性。

2 计算模型

2.1 CFD模型

本文的计算模型为DTMB5415船模。DTMB 5415船模是美国海军舰艇模型，也是ITTC推荐的标准船模之一[13]。DTMB 5415船模有大量的试验数据及不同单位的数值计算结果，可为本文的工作提供参照。DTMB5415船模的模型尺度参数见表1，几何模型如图1。

2.2 计算域及边界条件

计算域是包含船体在内的气、液两相流所在的空间，该空间过大会导致计算网格过多，浪费资源；该空间过小，则难以避免边界效应的影响，使计算结果与无限域时有偏差。因此，在本次计算中，参考系坐标原点置于船体设计水线面与船首柱的交点，计算域范围为 _______ 、 ______________ 、 _______ 。其中：x轴正方向是船首到船尾的方向；y轴正方向是右舷方向；z轴正方向是沿船底到甲板方向。

邊界面需要给定物理条件，用单边插值公式将边界上的物理量和域内的物理量的函数统一联系，每个面的边界条件设置如表2所示。边界面进行数值消波[14]，以防止自由兴波反射的影响。

2.3 物理模型

船舶边界绕流复杂，空间上不存在均匀性，因此选用有限体积法进行求解。

有限体积法遵循：质量守恒定律；动量守恒定律；能量守恒定律。本文计算的主要对象是不可压缩牛顿流体，需要满足连续性（质量守恒）方程（式1）和动量守恒方程（式2）[15]。

2.4 计算网格

网格设计是保证计算收敛和准确度的重要一环。本文中网格划分的重点在于波形捕捉和船身边界层内网格的划分，流向的网格则较为稀疏。

图2左侧是贴近声纳球鼻首附近的网格。在贴近船体壁面采用棱柱层网格，进而与切割体网格衔接，这种组合形式可以在减小计算量的基础上，有效的对边界层内的流动进行模拟。

完全进行近壁湍流模拟的分辨率和DNS方法在同一量级，计算量大难以实现，因此可用近壁模型进行模拟[16]。无滑移壁面附近的模拟需要考虑壁面粘性效应和边界层内极强的变化梯度。

式中：Δy -边界层内网格节点到壁面的最小距离； μ-流体平均速度（非瞬时）；μτ-边界层内壁面摩擦速度。为取得精确度高的模拟效果，值控制在60～300之间。

3 结果分析

3.1 阻力性能分析

见表3。

3.2 波形等高线图与波形切面

图3为设计状态下DTMB 5415船自由表面兴波波形等高线数值模拟与试验测量对比图；图4为纵向y/Lpp=0.082切面处波形曲线图；图5为纵向y/Lpp=0.172切面处波形曲线图；图6为纵向y/Lpp=0.301切面处波形曲线图。

由图3显示，设计状态下DTMB 5415船自由表面兴波波形等高线数值模拟与试验测量值具有非常好的吻合性。通过图2（-b）中开尔文波系网格的处理，使得自由表面处波系传播、开尔文波角等波形细节得到了很好捕捉；由图3显示，设计状态下DTMB 5415船身自由表面兴波波形等高线数值模拟与试验值吻合很好，只有在首部波峰点与尾柱处有细微偏差，船体区域吻合很好；图4、5及6中纵向y/Lpp等于不同值时切面处波形曲线图的数值模拟值与实验值吻合。通过船身以及不同纵向切面处波形曲线的数值模拟值与实验值的良好吻合，得出网格在自由表面波形中良好的捕捉能力以及验证了网格的正确性。

3.3 船尾绕流场

图7是不同网格数目时的流场对比，该截面位于船尾x/Lpp=0.935处，由图中可以清晰的看出，在Medium Grid 和 Fine Grid时，流场较为相似，可以认为此时网格对流场的影响较小；但是在Coarse Grid时，尾流场有较大的变化，因此选择合适的网格数目时不仅需要考虑其对船模阻力值的影响，还要考虑网格数目对船舶流场及自由液面的影响。因此，为了节省计算资源并得到准确的计算结果，文中计算时选择网格数与Medium Grid接近的网格进行计算。

4 结论

通过对DTMB 5415船进行CFD粘性绕流模拟研究，得到以下结论：

（1）通过分析船舶表面y+值、壁面切应力τw值、自由表面兴波波形等高线图与实验值对比、船身和不同波形切面处波形曲线与实验值对比以及伴流场数值模拟与试验值对比等，说明本数值模拟分析网格划分以及数值算法正确性；

（2）边界层厚度在不同界面处由前往后逐渐变厚；船首部压力等值线分布较光顺，水流较均匀；尾部等值线分布较紊乱。

参考文献

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