前缘引流对船舶阻力及伴流分布的影响

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(武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

对于中低速船，特别是肥大船型，粘性阻力占总阻力的80%～90%[1]，其中的形状阻力部分也占有较大比重。国内外实验研究[2]已经证明,钝体前缘开孔引流对周围流场特别是艉流场有改善作用，钝体形状阻力明显减小。本文针对形状阻力占较大比重的船型，采用数值模拟方法，设计前缘开孔，在船艏高压区设引流入口，船艉设出流口，引流通道贯穿全船。分析在不同开孔形状、开孔尺寸和出流位置下的船舶艉部流场特性和阻力变化规律，为减阻船型优化设计提供参考。

1 数值方法

1.1 控制方程(张量形式)

船体绕流数值计算中，认为流体均质不可压，在直角坐标系下，由质量守恒得到的连续性方程为

(1)

由动量守恒得到的Navier-Stokes方程为

i,j=1,2,3

(2)

式中：ui,uj——速度矢量u在xi、xj方向上的分量；

ρ——流体密度；

p——压力；

υ——运动粘性系数；

Fi——体积力,此处为重力gi[3]。

1.2 k-ω湍流模型

k-ω模型通过引入湍动能和比耗散率的输运方程得到k和ω，把μt表达为k和ω的函数。其输运方程为

(3)

式中：Gk——由于时均速度梯度引起的湍动能；

Gω——ω的产生项；

Γk,Γω——k和ω的有效扩散系数；

Yk,Yω——由湍流引起的k和ω的耗散项;

Sk,Sω——自定义源项[4]。

1.3 边界条件

对本文定常不可压缩粘性绕流场的叠模计算，主要用到4种边界条件。

1)速度入口:u=u∞,v=w=0；

3)壁面边界满足无滑移条件:u=v=w=0；

式中：u,v,w——速度矢量υw沿X、Y、Z方向的分量。

1.4 数值求解

采用基于单元中心的有限体积法数值求解控制方程。速度和压力耦合采用SIMPLEC算法；压力离散采用Standard格式；动量和湍动能离散采用二阶迎风格式；比耗散率离散采用一阶迎风格式。……