fluent算例-船舶航行.doc

精品文档CFD计算基础课程homeworkfluent目录一、问题描述1二、建立模型22.1创建船体附近流域22.2确定边界条件，4三、用fluent进行求解计算43.1导入并检查网格43.2设置求解器参数53.3设置流体属性，选定空气和水63.4设置基本项和第一相63.5设置操作环境63.6设置边界条件63.7设置求解方法73.8流场初始化73.9定义初始空气区域83.10查看船体的初始湿面积83.11设置残差监视器以及升、阻力监视器83.12求解计算83.13升力报告103.14计算成果图10四、第一次调整水线12五、根据水线调整进行第二次建模13六、对二次模型进行计算求解136.1升力报告136.2计算成果图136.3计算结果分析15七、第二次调整水线15八、根据水线调整进行第三次建模16九、对三次模型进行求解计算16一、 问题描述一艘假想船，设船体高H=2m，船底长L=10m，船艏与水平线夹角=45；船头装有a=1m的压浪板，压浪板和水线的夹角为=30。见图1.1。若船体单位宽度上重为G=mg=17.5*103*9.81kg并以速度V=18km/h=5m/s均速行驶在平静的河水里，试研究此船舶的行驶过程和行驶阻力。见图1.1分析（1） 这应该是一个三维流动问题，为简化计算，采用二维模型。即假设船体无限宽，忽略船体侧面对流动的影响。（2） 这是一个紊流流动问题，由于船体结构较复杂，必然引起紊流流动。（3） 这是一个气、液两相流问题，船体上部为空气，下部为水。船舶在航行过程中必然引起水与空气之间的相互作用，并产生波浪。（4） 在仿真计算过程中，气液交界面的变化是一个逐渐趋于稳定状态的过程，故应该采用非稳定的计算方法。（5） 在船舶行驶过程中会对船体产生动升力，必然会引起船体的上下运动，并且影响船体的行驶阻力。（6） 船舶行驶过程中，在铅直方向有水的静浮力Ff和动升力Fd，由力的平衡可得，二者之和应等于船舶质量G。假设静浮力Ff为船舶质量的60%，即Ff=G,=0.6，由于浮力等于船舶排开水的质量，故有G=gLh+12h2h=L2+2Gg-L=102+20.6175009.81998.29.81-10=1.0m得到初始水线为h=1.0m。假设船舶行驶过程中的静浮力不变，若计算得到船体动升力为Fd=1-G=0.4G，则船舶处于平衡状态，计算结束。（7） 流动区域的设置。见图1.2a) 设水线下水深为L，水下边界为固壁。b) 水线上面流域为2L高，初始为空气。c) 船舶前面流域沿流动方向长为3L。d) 船舶后部流域沿流动方向距离为5L。e) 船舶附近设置一个较小区域，便于对船体附近网格加密，以及改变水线后的建模。图1.2二、 建立模型2.1创建船体附近流域导入关键点，连接各点创建线，将船体和压浪板向下移动1.0m(初始水线为1.0m)，根据线创建面，创建网格，先创建线网格点分布，之后用map创建面网格，创建外围流域点、线、面及网格，网格创建方式类似于内部流域，但为了减少计算量，外围流域按一定比例逐渐变稀，在网格划分过程中我们共尝试采取三种网格布置，第一种网格布置（见图2.1）网格划分过密，计算量过大，计算耗时过长；第二种网格布置（见图2.2）网格划分过稀，计算结果难以收敛；综合各方面因素，最终采取第三种网格布置（见图2.3），既能保证计算精度，又相对耗时较短。图2.1图2.2图2.32.2确定边界条件，见图2.4图2.4Gambit导出mesh文件命名为ship2d1.msh。退出并保存session。三、 用fluent进行求解计算3.1导入并检查网格见图3.1图3.13.2设置求解器参数见图3.2、3.3 选择VOF两相流计算模型，选择k-epsilon紊流模型。图3.2 图3.33.3设置流体属性，选定空气和水见图3.4图3.43.4设置基本项和第一相基本相是水（water），第一相是空气（air），见图3.5图3.53.5设置操作环境重力加速度9.81m/s2，方向向下，操作环境密度1.225kg/m3，见图3.6图3.63.6设置边界条件将空气入流（inlet-air）和水入流（inlet-water）的入流速度（velocity-inlet）均设为5m/s，以及流域底部（bottom）的边界条件设为移动墙（moving wall），速度为5m/s。3.7设置求解方法见图3.7图3.73.8流场初始化见图3.8图3.83.9定义初始空气区域见图3.9图3.93.10查看船体的初始湿面积见图3.10图3.10软件默认船体宽为1，所以初始时刻船体的湿面积计算方法：A0=L+h+2h1=10+1+211=12.4143.11设置残差监视器以及升、阻力监视器3.12求解计算首先进行500个时间间隔的迭代计算，每个时间间隔为0.001秒，共0.5秒的时间，设置每个时间间隔最多迭代50次。因为不确定求解至收敛所需时间，所以计算结果不断增加时间间隔数目，最后总共进行了27002个时间间隔的迭代计算（由于第一次计算的残差监视曲线和升、阻力监视曲线的图像忘记保存，这里附图为第二次计算的曲线，两次计算过程的性质类似，残差曲线见图3.11，升力曲线见图3.12，阻力曲线见图3.13）（由于计算量较大，最后时间没有把握好，望老师谅解）图3.11图3.12图3.133.13升力报告见图3.14图3.143.14计算成果图a) 水气分布云图3.15图3.15b) 压力分布云图3.16图3.16c) 速度分布矢量图3.17图3.17四、 第一次调整水线在行驶过程中，船体所受到的力既有水对其的浮力，又有水流和气流对其对其产生的阻力和动升力。铅直方向受到重力、浮力和动升力的作用达到平衡状态。最初的静浮力和动升力的比例是根据经验假定而来的，所以需要根据实际情况对水线进行调整。水线调整的原则是：船体的浮力+动升力=船体的重力Fd+Ff=G但此时Fd+Ff=0.617.51039.81+46525=149530NG=17.51039.81=171675NF=G-Fd+Ff=171675-149530=22145N由于Fd+FfG，必然会使船体有所下降，或水线有所上升。船体排水体积Vp与水线h的关系如下：Vp=Lh+12h2水线h上升h将使排水体积增加Vp，则有Vp=（L+h）h+12（h）2如果将相差力F的60%转换为浮力的增大，即gVp=F=0.6F，则h=L+h2+2Fg-L+h=10+12+20.622145998.29.81-10+1=0.122水线应上升0.122m，即水线变成h=1.122m，船体的排水面积增大了Vp=L+hh+12h2=1.349m3所以Vp=Lh+12h2+Vp=11.849水对船体的静浮力gVp=116.029KN，另外由于船重171.675KN，故所需要的动升力为Fd=G-Ff=171.675-116.029=55.646KN若计算结果恰好等于所需的值，则船体处于平衡状态中，计算结束，否则还需要进一步调整。五、 根据水线调整进行第二次建模将空气进口和水进口的交界点提高0.122m，新建的模型如图5.1图5.1六、 对二次模型进行计算求解求解方法和过程同第一次类似，这里不再详述，仅介绍计算结果。6.1升力报告见图6.1图6.16.2计算成果图a) 水气分布云图6.2图6.2b) 压力分布云图6.3图6.3c) 速度分布矢量图6.4图6.46.3计算结果分析船体动升力Fd=41.322KN，比预计少了55.646KN少了14.324KN，还需要进一步调整水线。七、 第二次调整水线此时F=G-Fd+Ff=14.324KNh=L+h2+2Fg-L+h=10+1.1222+20.614324998.29.81-10+1.122=0.079水线再上升0.079，即水线变为1.201，船体的排水体积变为Vp=L(h+h)+12h+h2=12.73m3水对船体的静浮力gVp=124.657KN，另外由于船重171.675KN，故所需要的动升力为Fd=G-Ff=171.675-124.675=47.018KN若计算结果恰好等于所需的值，则船体处于平