漁船球鼻艏設(shè)計(jì)與優(yōu)化【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　題 目：漁船球鼻艏設(shè)計(jì)與優(yōu)化</p><p>　學(xué) 院：</p><p>　學(xué)生姓名：</p><p>　專 業(yè)：船舶與海洋工程</p><p>　班

2、 級(jí)：</p><p>　指導(dǎo)教師：</p><p>　起止日期：</p><p>　　漁船球鼻艏設(shè)計(jì)與優(yōu)化</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在造船產(chǎn)業(yè)中，船舶的性能永遠(yuǎn)是船東最關(guān)注的，其中快速性顯得尤為突出，如果對(duì)船體的線型進(jìn)行優(yōu)化，將可以有效的減少船舶在航

3、行中的阻力，這樣不僅節(jié)省了燃油，也提高了貨運(yùn)效率。</p><p>　　為了改善漁船的性能，特別是為了提高快速性，漁船設(shè)計(jì)人員和研究人員進(jìn)行了不懈的努力和專研，開發(fā)出了許多種不同需求的特殊船體型線，這些特殊性大多數(shù)集中在船首部分?，F(xiàn)在球首已經(jīng)成為了人們非常熟悉的一種特殊船首，能夠很好的減小阻力，提高船舶快速性，已被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代船舶中。尾部型線在船舶阻力方面也在一步步得到重視和改善。</p><

4、;p>　　[關(guān)鍵詞]；FLUENT；CFD數(shù)值模擬；船舶阻力</p><p>　　Fisher bulbous bow design and optimization</p><p>　　[Abstract] Ship performance is the most important that ship-owner’s concerned, especially, the fast

5、ness still comes to the first place .Therefore, if molded lines are optimized, it can reduce the resistance of the ship when sails in the water .</p><p>　　In order to improve the performance of fishing boats

6、, especially in order to improve the rapidity, fishing boat designers and researchers have made unremitting efforts and the research, developed a number of different needs of the special ship lines, the particularity of

7、the most concentrated in the bow section. Now the ball head has become familiar to a special bow, can be very good to reduce resistance, increase ship speed and resistance, has been widely applied to the modern ships. Ca

8、udal typ</p><p>　　[Key Words] Emulation; GAMBIT; FLUENT; CFD,numerical simulation; ship resistance</p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　1.1課題的目的與意義</p><p>　　船舶是一個(gè)對(duì)國(guó)

9、民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化具有十分重要意義的工程領(lǐng)域。造船作為一個(gè)勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)，在當(dāng)今社會(huì)中的地位，相當(dāng)重要，不僅與水上運(yùn)輸、漁業(yè)等息息相關(guān)，與鋼鐵產(chǎn)業(yè)更是密不可分。其中，漁船在漁業(yè)方面作出了很大的貢獻(xiàn)，為國(guó)家和漁民帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)效益。改革開放來(lái)。我國(guó)漁船的發(fā)展十分迅速，是船舶中發(fā)展較快的船型。近年來(lái)，隨著船舶產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，以及原油價(jià)格的不斷上漲，為了確保經(jīng)濟(jì)效益，漁船的性能的研究顯得越來(lái)越迫切。</p><p&

10、gt;　　對(duì)于我們學(xué)校所處的舟山地區(qū)來(lái)說(shuō)，舟山漁場(chǎng)是我國(guó)的著名漁場(chǎng)。一直以來(lái)漁業(yè)捕撈是大多數(shù)人從事的行業(yè)，人們以海為生，以漁為生，漁船是從事漁業(yè)生產(chǎn)的一種必備工具。因此對(duì)漁船的設(shè)計(jì)建造的研究，優(yōu)化漁船性能，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品達(dá)到最合理狀態(tài)，對(duì)提高其安全性和經(jīng)濟(jì)效益具有比較重要的意義。</p><p>　　我國(guó)造船業(yè)已躋身國(guó)際市場(chǎng),市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,船東的要求也越來(lái)高,不僅要求有低廉的船價(jià),而且對(duì)所訂購(gòu)的船舶要求有優(yōu)良的

11、性能"為了奪得更多的標(biāo)書,各船廠根據(jù)船東的要求往往希望在已定的某些主尺度要素及主機(jī)功率情況下,能迅速提供出性能優(yōu)良的船舶線型,并預(yù)報(bào)出具有競(jìng)爭(zhēng)力的航速,因?yàn)楹剿偻芎闹笜?biāo)是休戚相關(guān)的,這就對(duì)船舶研究及設(shè)計(jì)部門提出了更高的要求"通過(guò)我們多年來(lái)的試驗(yàn)研究工作,發(fā)現(xiàn)在同樣的主要尺度要素及主機(jī)功率情況下,由于選用了不同的船形,其船舶性能及航速會(huì)有很大差異,航速有時(shí)相差幾乎近1.0km,或在相同的航速下可使主機(jī)功率下降達(dá)20%

12、，這就說(shuō)明如果船形較優(yōu)良,在不采用其它附加節(jié)能裝置的情況下同樣能取得很好的節(jié)能效果,并且節(jié)能效果還是很顯著的。</p><p>　　船體線型的優(yōu)劣直接影響船舶的快速性(阻力、推進(jìn)性能)，為改善船舶的航行性能,船舶線型設(shè)計(jì)是關(guān)鍵,因?yàn)榇w線型是關(guān)系船舶技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的全局性設(shè)計(jì)項(xiàng)目之一。</p><p>　　船體型線設(shè)計(jì)方法有很多,它們各有特點(diǎn)。BSRA、Todd60和SSPA等標(biāo)準(zhǔn)系列插值法

13、以簡(jiǎn)單和快捷而著稱。在船型庫(kù)中插值出設(shè)計(jì)船線型的同時(shí),還能給出所設(shè)計(jì)船的阻力和伴流特性等船舶是一個(gè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化具有十分重要意義的工程領(lǐng)域。</p><p>　　根據(jù)有關(guān)球鼻船首的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以得知：如果安裝適當(dāng)?shù)那虮囚寄芷鸬綔p少阻力的作用。對(duì)于Fr在0.27-0.34之間的中高速船，安裝球鼻艏可以有效地降低船體受到的興波阻力。魏格來(lái)曾作過(guò)這樣的理論研究，他認(rèn)為在水面下運(yùn)動(dòng)的球鼻艏也能水面產(chǎn)生波浪

14、。如果球鼻艏的大小和安裝位置選擇適當(dāng)?shù)脑?，船舶在一定速度范圍?nèi)航行時(shí)，球鼻艏產(chǎn)生的波系有可能與船體波系發(fā)生有利干擾作用，致使合成波的波高相對(duì)降低，興波阻力也隨之下降。對(duì)于低速肥大型船舶，安裝球鼻艏可以大大改善船首柱附近的壓力分布，從而緩和了船首破波情況，降低破波阻力。</p><p>　　球鼻的幾何特征形狀可以用下面幾個(gè)參數(shù)表示[56]:</p><p>　　(1)相對(duì)突出長(zhǎng)度:這里是球鼻

15、最前端至首柱的距離，是船的兩柱間長(zhǎng)。</p><p>　　(2)相對(duì)浸深:這里是球鼻中心或球鼻最前點(diǎn)或者最大寬度處距靜水面的距離，為船的吃水。</p><p>　　(3)最大寬度比為：是首柱處球鼻剖面的最大寬度，為船寬。</p><p>　　(4)球鼻面積比為: ，這里是首柱處球鼻剖面面積，而是船中橫剖面的面積。</p><p>　　(5)相

16、對(duì)排水體積比：這里是球鼻所增加的排水體積，為船體排水體積。</p><p>　　上面的參數(shù)基本上對(duì)球鼻的幾何形狀特征進(jìn)行了描述。本節(jié)所要研究球鼻艏的改變對(duì)船體阻力的影響，主要是通過(guò)研究這些幾何形狀特征參數(shù)的變化對(duì)船體阻力的影響[62]。由于目前有關(guān)球鼻的資料都是針對(duì)某一特定船型而言的，有些認(rèn)為十分成功的球首，在其他船上應(yīng)用時(shí)并不一定能獲得滿意的結(jié)果?，F(xiàn)有的球鼻船首的形狀和參數(shù)變化范圍是各不相同的，而最重要的是球鼻

17、形狀及參數(shù)等和船體必須恰當(dāng)?shù)呐浜?。因此，將分別從球首的長(zhǎng)度變化、高度變化和寬度變化中找到與47.6m拖網(wǎng)漁船相匹配的球首，從而有效地降低船體阻力。</p><p>　　1.2世界漁船的發(fā)展概況</p><p>　　1.2.1漁船發(fā)展的適應(yīng)性調(diào)整</p><p>　?。?）漁船數(shù)量的減少</p><p>　　漁船數(shù)量減少的趨勢(shì)很明顯，如歐盟漁業(yè)

18、官員在歐洲各國(guó)已經(jīng)采取一些保護(hù)資源的措施后仍然認(rèn)為“漁船太多”，這樣就會(huì)產(chǎn)生“過(guò)度捕撈”。泰國(guó)最大的漁船隊(duì)經(jīng)營(yíng)者要求政府將國(guó)內(nèi)撲魚船的數(shù)量削減一半.日本遠(yuǎn)洋底拽網(wǎng)漁業(yè)協(xié)會(huì)于2001年7月18日宣布解散，原因是這個(gè)曾經(jīng)擁有771艘漁船協(xié)會(huì)在99年只剩下44艘，進(jìn)入2000年后僅剩下14艘，再如日本在北方的大洋性拖網(wǎng)漁船93年有16艘，到99年后剩下6艘，在新西蘭、北美東岸、阿根廷等漁場(chǎng)作業(yè)93年有33艘,現(xiàn)在只有14艘[10].韓國(guó)90-

19、96年減少307艘，97-99年又減少了1149艘。我國(guó)到2010年將減少3萬(wàn)艘，即由222000艘減到192000艘，漁船數(shù)量之所以減少，主要是因?yàn)闈O船適應(yīng)漁業(yè)資源的數(shù)量受到限制的緣故。</p><p>　?。?）漁船種類、尺度等變化</p><p>　　由于底層魚類資源情況不佳使得那些作業(yè)于中上層水域的漁船包括延繩釣船、金槍魚圍網(wǎng)船以及普通圍網(wǎng)船迅速增加，俄羅斯一次就訂購(gòu)30艘總長(zhǎng)為5

20、2.5m的延繩釣船，西班牙為利比亞建造了4艘總長(zhǎng)為60m的雙甲板延繩釣船，就連非洲的納米比亞在2005年都擁有大型中層拖網(wǎng)船，總長(zhǎng)為104m，據(jù)說(shuō)這是5艘大型中層拖網(wǎng)船中的1艘，西班牙在1999年就擁有總長(zhǎng)為116m的金槍魚圍網(wǎng)漁船，歐洲一些國(guó)家為了迅速發(fā)展中上層水域的漁船，紛紛在第三世界國(guó)家建造用于中上層水域的漁船，如冰島連續(xù)在智利建造大型圍拖網(wǎng)船，總長(zhǎng)分別為70.2m和68.3m，挪威也建造了大型圍拖網(wǎng)船，總長(zhǎng)為68.3m，秘魯曾為

21、法國(guó)建造總長(zhǎng)為55.49m延繩釣船。聯(lián)合國(guó)“海洋法公約”出臺(tái)，對(duì)世界漁船發(fā)展也是有影響的，200海里專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的劃分，使目前漁船船型在尺度上有向兩頭發(fā)展的趨勢(shì)，一種是在近海作業(yè)的小型漁船；一種是到距基地港更遠(yuǎn)的新開發(fā)漁場(chǎng)去作業(yè)的大型漁船。西班牙自90年建成當(dāng)時(shí)世界上最大金槍魚圍網(wǎng)船（總長(zhǎng)105m,型寬16.2m,型深10.2m,主機(jī)功率5300kw,航速17節(jié))后，到2004年又建成多艘總長(zhǎng)為115m的金槍魚圍網(wǎng)船，該船型</p&

22、gt;<p>　　1.2.2漁船捕撈技術(shù)的新發(fā)展</p><p>　　捕撈效率有所提高，漁船數(shù)量減少，但捕撈量卻不減少，這是隨著技術(shù)進(jìn)步，捕撈技術(shù)提高的緣故。Net公司JFD型182中層拖網(wǎng)12分鐘捕撈魚獲940噸。冰島Hampidijan公司發(fā)明的自擴(kuò)張拖網(wǎng)，由于不用網(wǎng)板從而減少了網(wǎng)具在水中的振動(dòng)，有助于增加魚獲，又如美國(guó)Seascan飛行器，長(zhǎng)僅1.2m，巡航速度可達(dá)49km，來(lái)探測(cè)金槍魚，這對(duì)

23、瞄準(zhǔn)撲撈極有幫助，大大地提高了撲撈效率，這種飛行器實(shí)際上就是無(wú)人駕駛飛機(jī)。挪威Remoysea集團(tuán)公司采用三聯(lián)網(wǎng)作業(yè)，據(jù)說(shuō)魚獲量比本來(lái)的雙聯(lián)網(wǎng)增加30%-40%.歐洲還出現(xiàn)了延繩釣船用的自動(dòng)延繩釣系統(tǒng)，這種系統(tǒng)，它包括以下四個(gè)部分：裝餌機(jī)、鉤釣分離器、軌道滾輪和鉤釣清理器的操作系統(tǒng)、鉤與繩的儲(chǔ)存系統(tǒng)。還有磁性漁網(wǎng)捕魚技術(shù)，在同樣水域可提高20%-80%，所謂磁性漁網(wǎng)，就是在網(wǎng)片邊緣系上若干永久性磁鐵代替網(wǎng)墜，形成磁性網(wǎng)片組成圍網(wǎng)。德國(guó)R

24、ofia公司研制出一種網(wǎng)具在水中很快張開并飛起來(lái)，稱為飛網(wǎng)，從而能迅速地進(jìn)行捕撈。美國(guó)一家公司研制出Magellan金槍魚跟蹤浮標(biāo)安裝在集魚裝置上，包括一個(gè)Gps，一個(gè)海水溫度傳感器，一個(gè)通訊裝置，船長(zhǎng)可通過(guò)發(fā)來(lái)的資料進(jìn)行分析，</p><p><b>　　1.3 CFD研究</b></p><p>　　船舶的水動(dòng)力和所受阻力是船舶性能研究和船型優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一

25、。以往采用模型試驗(yàn)研究，雖然可靠，但是設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，資金投入大，且不便于改進(jìn)設(shè)計(jì)。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速崛起和發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)作為一門獨(dú)立的學(xué)科在近三十年成為流體力學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的熱門研究?jī)?nèi)容。它是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬相關(guān)的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析的一種方法，與傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)相比，更為經(jīng)濟(jì)、高效。近些年來(lái)，隨著CFD技術(shù)的日漸成熟，涌現(xiàn)出了各種商業(yè)化CFD通用軟件，如:FLUE

26、NT, CFX, STAR-CD等。本設(shè)計(jì)主要是利用商業(yè)CFD軟件FLUENT來(lái)進(jìn)行漁船的線型優(yōu)化設(shè)計(jì)，為船舶的水動(dòng)力性能研究和改進(jìn)提供參考，也為在船舶性能研究中運(yùn)用CFD技術(shù)，提供一種新思路、新方法和新手段。</p><p>　　伴隨著CFD學(xué)科的不斷發(fā)展，各種CFD通用包陸續(xù)出現(xiàn)，成為商業(yè)化軟件，人們開始借助成熟的商業(yè)化CFD通用軟件進(jìn)行船舶粘性繞流的數(shù)值模擬和船舶水動(dòng)力計(jì)算，但對(duì)多體船采用此方法還為數(shù)不多。

27、不過(guò)，就我國(guó)現(xiàn)在的CFD軟件開發(fā)水平和能力而言，借助國(guó)外成熟的商業(yè)CFD通用軟件進(jìn)行船舶的粘性繞流模擬和水動(dòng)力研究，應(yīng)該是一種比較簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的方法。目前，國(guó)內(nèi)己經(jīng)出現(xiàn)一些關(guān)于使用商業(yè)CFD軟件進(jìn)行船舶水動(dòng)力計(jì)算的探索研究。這些探索與研究將為我國(guó)的船舶CFD研究，提供新思路、新方法。各種商業(yè)CFD通用軟件的數(shù)學(xué)模型的組成都是以納維一斯托克斯方程（N-S )方程組與各種湍流模型為主體，再加上多相流模型、自由流模型、非牛頓流體模型等。大多數(shù)附加

28、的模型是在主體方程組上補(bǔ)充一些附加源項(xiàng)、附加輸運(yùn)方程與關(guān)系式。離散方法采用有限體積法(FVM)或有限元法(FEM)，由于有限體積法繼承了有限差分法的豐富格式，具有良好的守恒性，能像有限元法那樣采用各種形狀的網(wǎng)格以適應(yīng)復(fù)雜的邊界幾何形狀，卻比有限元法簡(jiǎn)便的多，因此，大多數(shù)CFD通用軟件都采用有限體積法。</p><p>　　現(xiàn)在，船舶CFD的研究，特別是對(duì)粘性流的研究，在國(guó)內(nèi)外都投入了巨大的人力物力，正處于一個(gè)良好

29、的高速發(fā)展時(shí)期。國(guó)外在高性能計(jì)算機(jī)和比較成熟的軟件工程技術(shù)的支持下，以發(fā)展粘性流的CFD為先導(dǎo)，開發(fā)了不少新型艦船及水中兵器，在船舶領(lǐng)域重要的仿真、降噪等高新技術(shù)也得到了極大的提高，從而也使國(guó)防科技水平上了一個(gè)新臺(tái)階</p><p>　　1.4 FLUENT的簡(jiǎn)介</p><p>　　FLUENT是一款用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)和熱交換問(wèn)題的專用CFD軟件。FLUENT的軟件

30、設(shè)計(jì)基于CFD軟件群的思想，它針對(duì)不同流動(dòng)的物理特點(diǎn)，采用最佳的數(shù)值解法，從而在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到優(yōu)化組合，便于高效地解決各領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題，合理地模擬流動(dòng)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)等物理現(xiàn)象。同時(shí)，“軟件群”中各軟件采用統(tǒng)一的前后端處理工具，可方便地進(jìn)行數(shù)值交換，這就為FLUENT的通用化奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　FLUENT可以用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。它提供了靈活性的

31、網(wǎng)格特性，可以使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格來(lái)解決復(fù)雜的流動(dòng)問(wèn)題。FLUENT還擁有多種基于解的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)以及網(wǎng)格動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)，對(duì)于捕捉非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象極為有利。GAMBIT, TGrid,prePDF, Geomesh與FLUENT有極好的相容性。GAMBIT還被作為FLUENT的前處理軟件使用，它可以讀取多種CAD或CAE軟件所生成的各種幾何或網(wǎng)格模型。</p><p>　　1.4.1程序結(jié)構(gòu)：

32、</p><p>　?。?）GAMBIT–前處理器</p><p>　　GAMBIT，作為FLUENT的前處理軟件，可以生成用于CFD數(shù)值模擬和計(jì)算的網(wǎng)格模型，并且它所生成的網(wǎng)格模型還可以供多種CFD程序或商業(yè)CFD軟件所使用。GAMBIT的主要功能包括三個(gè)方面:構(gòu)建幾何模型、劃分網(wǎng)格和設(shè)定定界，其中劃分網(wǎng)格是其最主要的一項(xiàng)功能。它最終將生成可以導(dǎo)入多種CFD程序或商業(yè)CFD軟件的網(wǎng)格模型

33、文件。 在使用GAMBIT進(jìn)行幾何建模時(shí)，對(duì)于模型幾何形狀不太復(fù)雜的問(wèn)題，一般可以直接在GAMBIT中完成幾何建模。但對(duì)于復(fù)雜模型的CFD問(wèn)題，特別是三維問(wèn)題，GAMBIT不是很有效，所以需要借助專用的CAD軟件來(lái)幫助完成幾何建模。GAMBIT可以導(dǎo)入多種類型的CAD軟件或前處理軟件所生成的幾何模型，能夠?qū)氲膸缀文Ｐ臀募愋桶ˋCIS, Parasolid, IGES和STEP等格式。GAMBIT具有靈活的幾何模型修正功能，當(dāng)從接口

34、導(dǎo)入模型時(shí)，會(huì)自動(dòng)合并重合的點(diǎn)、線、面，在保證原始幾何精度的基礎(chǔ)上通過(guò)虛擬幾何自動(dòng)縫合小縫隙，這樣既保證了幾何精度，又滿足了網(wǎng)格劃分的需要。</p><p>　　GAMBIT具有較強(qiáng)的網(wǎng)格劃分能力，它提供了多種網(wǎng)格單元，可以根據(jù)用戶的需要生成二維的三角形和四邊形網(wǎng)格，三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格等多種類型的網(wǎng)格，它具有良好的自適應(yīng)功能，可以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化與粗化或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格。GAMBIT中

35、的Tgrid方法可以在極其復(fù)雜的幾何區(qū)域中劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)的完全非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在GAMBIT中，網(wǎng)格生成以后，還可以對(duì)模型進(jìn)行邊界的設(shè)置，以便為后續(xù)進(jìn)行CFD模擬時(shí)輸入邊界條件。GAMBIT可以生成FLUENT, FDIAP,POLYFLOW等求解器所需要的網(wǎng)格文件。</p><p>　?。?）FLUENT-求解器</p><p>　　FLUENT是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)以及

36、熱傳導(dǎo)的計(jì)算機(jī)程序。它提供了完全的網(wǎng)格靈活性，你可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，例如二維三角形或四邊形網(wǎng)格、三維四面體/六面體/金字塔形網(wǎng)格來(lái)解決具有復(fù)雜外形的流動(dòng)。甚至可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。它允許你根據(jù)解的具體情況對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修改（細(xì)化/粗化）。</p><p>　　對(duì)于大梯度區(qū)域，如自由剪切層和邊界層，為了非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)流動(dòng)，自適應(yīng)網(wǎng)格是非常有用的。與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，這一特點(diǎn)很明顯地減少了產(chǎn)生“好”網(wǎng)格所需要的

37、時(shí)間。對(duì)于給定精度，解適應(yīng)細(xì)化方法使網(wǎng)格細(xì)化方法變得很簡(jiǎn)單，并且減少了計(jì)算量。其原因在于：網(wǎng)格細(xì)化僅限于那些需要更多網(wǎng)格的解域。</p><p>　　FLUENT是用C語(yǔ)言寫的，因此具有很大的靈活性與能力。因此，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，靈活的解控制都是可能的。除此之外，為了高效的執(zhí)行，交互的控制，以及靈活的適應(yīng)各種機(jī)器與操作系統(tǒng)，F(xiàn)LUENT使用client/server結(jié)構(gòu)，因此它允許同時(shí)在用戶桌面工作站和

38、強(qiáng)有力的服務(wù)器上分離地運(yùn)行程序。</p><p>　　在FLUENT中，解的計(jì)算與顯示可以通過(guò)交互界面，菜單界面來(lái)完成。用戶界面是通過(guò)Scheme語(yǔ)言及LISP dialect寫就的。高級(jí)用戶可以通過(guò)寫菜單宏及菜單函數(shù)自定義及優(yōu)化界面。</p><p>　　FLUENT采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以縮短產(chǎn)生網(wǎng)格所需要的時(shí)間，簡(jiǎn)化了幾何外形的模擬以及網(wǎng)格產(chǎn)生過(guò)程。和傳統(tǒng)的多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，它可以模擬具有更

39、為復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)，并且具有使網(wǎng)格適應(yīng)流場(chǎng)的特點(diǎn)。FLUENT也能夠使用適體網(wǎng)格，塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(比如：FLUENT 4和許多其它的CFD結(jié)算器的網(wǎng)格)。FLUENT可以在2D流動(dòng)中處理三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格，在3D流動(dòng)中可以處理四面體網(wǎng)格，六邊形網(wǎng)格，金字塔網(wǎng)格以及楔形網(wǎng)格（或者上述網(wǎng)格的混合）。這種靈活處理網(wǎng)格的特點(diǎn)使我們?cè)谶x擇網(wǎng)格類型時(shí)，可以確定最適合特定應(yīng)用的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 </p><p>　　利用FLU

40、ENT軟件進(jìn)行流體的流動(dòng)和傳熱計(jì)算的模擬計(jì)算的流程一般是，首先利用GAMBIT進(jìn)行流動(dòng)區(qū)域幾何形狀的構(gòu)建、定義邊界類型和生成網(wǎng)格，然后將GAMBIT中的網(wǎng)格文件輸出用于FLUENT求解器計(jì)算的格式，在FLUENT 中讀取所輸出的文件并設(shè)置條件對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行后處理。</p><p>　　1.4.2 FLUENT 程序可以求解的問(wèn)題</p><p>　　FLUEN

41、T 可以求解計(jì)算二維和三維問(wèn)題，在計(jì)算過(guò)程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng)調(diào)整。fluent軟件的應(yīng)用范圍非常廣泛，主要范圍如下：</p><p>　　(1)用非結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格模擬2D或者3D流場(chǎng)，它所使用的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格主要有三角形/五邊形、四邊形/五邊形，或者混合網(wǎng)格，其中混合網(wǎng)格有棱柱形和金字塔形。（一致網(wǎng)格和懸掛節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格都可以）</p><p>　　(2)不可壓或可壓流動(dòng)</p>&l

42、t;p>　　(3)定常狀態(tài)或者過(guò)渡分析</p><p>　　(4)無(wú)粘，層流和湍流 </p><p>　　(5)牛頓流或者非牛頓流</p><p>　　(6)對(duì)流熱傳導(dǎo)，包括自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流</p><p>　　(7)耦合熱傳導(dǎo)和對(duì)流</p><p>　　(8)輻射熱傳導(dǎo)模型 </p><

43、p>　　(9)慣性（靜止）坐標(biāo)系非慣性（旋轉(zhuǎn)）坐標(biāo)系模型</p><p>　　(10)多重運(yùn)動(dòng)參考框架，包括滑動(dòng)網(wǎng)格界面和rotor/stator interaction modeling的混合界面</p><p>　　(11)化學(xué)組分混合和反應(yīng)，包括燃燒子模型和表面沉積反應(yīng)模型</p><p>　　(12)熱，質(zhì)量，動(dòng)量，湍流和化學(xué)組分的控制體源</p

44、><p>　　(13)粒子，液滴和氣泡的離散相的拉格朗日軌跡的計(jì)算，包括了和連續(xù)相的耦合</p><p><b>　　(14)多孔流動(dòng)</b></p><p>　　(15)一維風(fēng)扇/熱交換模型</p><p>　　(16)兩相流，包括氣穴現(xiàn)象</p><p>　　(17)復(fù)雜外形的自由表面流動(dòng)<

45、/p><p>　　1.5本設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要是利用FLUENT軟件，來(lái)模擬船舶的粘性繞流流場(chǎng)，利用模擬所得的流場(chǎng)計(jì)算對(duì)船體進(jìn)行線型優(yōu)化設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，了解船舶的主要特點(diǎn)、發(fā)展?fàn)顩r、研究情況及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。認(rèn)真學(xué)習(xí)使用FLUENT軟件中的建模和求解器幫助文件，了解軟件所用的基本算法、離散格式以及湍流

46、模型、適用范圍等。同時(shí)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，掌握建模和劃分網(wǎng)格的基本要領(lǐng)。</p><p>　?。?）為了利用FLUENT軟件對(duì)試驗(yàn)船進(jìn)行船體線型優(yōu)化，首先讀出該試驗(yàn)船模的型值，并用前處理軟件GAMBIT聯(lián)合建模、FLUENT求解器進(jìn)行計(jì)算求解，得到流場(chǎng)模擬情況和阻力計(jì)算值，與船模試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果符合較好。初步得到了對(duì)船舶周圍流場(chǎng)進(jìn)行模擬及阻力計(jì)算較適合的方法和經(jīng)驗(yàn)。</p><p><b&g

47、t;　　2. 基本理論</b></p><p>　　2.1 FLUENT基本思路</p><p>　　利用GAMBIT產(chǎn)生所需的幾何結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)格，也可以在已知邊界網(wǎng)格中用Tgrid產(chǎn)生三角網(wǎng)格，四面體網(wǎng)格或者混合網(wǎng)格，也可能用其他軟件產(chǎn)生FLUENT所需要的網(wǎng)格，將網(wǎng)格讀入FLUENT，使用解算器進(jìn)行計(jì)算，其中包括，邊界條件的設(shè)定，流體物性的設(shè)定，解的執(zhí)行，網(wǎng)格的優(yōu)化，結(jié)果的查

48、看與后處理。</p><p>　　1）解決問(wèn)題的步驟：</p><p>　　1．創(chuàng)建網(wǎng)格. </p><p>　　2．運(yùn)行合適的解算器：2D、3D、2DDP、3DDP。</p><p><b>　　3．輸入網(wǎng)格</b></p><p><b>　　4．檢查網(wǎng)格</b>&l

49、t;/p><p><b>　　5．選擇解的格式</b></p><p>　　6．選擇需要解的基本方程：層流還是湍流（無(wú)粘）、化學(xué)組分還是化學(xué)反應(yīng)、熱傳導(dǎo)模型等</p><p>　　7．確定所需要的附加模型：風(fēng)扇，熱交換，多孔介質(zhì)等。</p><p>　　8．.指定材料物理性質(zhì)</p><p><

50、b>　　8．指定邊界條件 </b></p><p>　　9．調(diào)節(jié)解的控制參數(shù)</p><p><b>　　10．初始化流場(chǎng)</b></p><p><b>　　11．計(jì)算解</b></p><p><b>　　12．檢查結(jié)果</b></p>&l

51、t;p><b>　　13．保存結(jié)果 </b></p><p>　　14．必要的話，細(xì)化網(wǎng)格，改變數(shù)值和物理模型。</p><p>　　第一步需要幾何結(jié)構(gòu)的模型以及網(wǎng)格生成。你可以使用GAMBIT或者一個(gè)分離的CAD系統(tǒng)產(chǎn)生幾何結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格。也可以用Tgrid從已有的面網(wǎng)格中產(chǎn)生體網(wǎng)格。你也可以從相關(guān)的CAD軟件包生成體網(wǎng)格，然后讀入到Tgrid或者FLUENT

52、</p><p>　　表1： FLUENT菜單概述</p><p>　　2．2 FLUENT分析流程</p><p>　　當(dāng)你決定使FLUENT解決某一問(wèn)題時(shí)，首先要考慮如下幾點(diǎn)問(wèn)題： 定義模型目標(biāo)：從CFD模型中需要得到什么樣的結(jié)果？從模型中需要得到什么樣的精度；選擇計(jì)算模型：你將如何隔絕所需要模擬的物理系統(tǒng)，計(jì)算區(qū)域的起點(diǎn)和終點(diǎn)是什么？在模型的邊界處使用什么樣的

53、邊界條件？二維問(wèn)題還是三維問(wèn)題？什么樣的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合解決問(wèn)題？物理模型的選取：無(wú)粘，層流還湍流？定常還是非定常？可壓流還是不可壓流？是否需要應(yīng)用其它的物理模型？確定解的程序：?jiǎn)栴}可否簡(jiǎn)化？是否使用缺省的解的格式與參數(shù)值？采用哪種解格式可以加速收斂？使用多重網(wǎng)格計(jì)算機(jī)的內(nèi)存是否夠用？得到收斂解需要多久的時(shí)間？在使用CFD分析之前詳細(xì)考慮這些問(wèn)題，對(duì)你的模擬來(lái)說(shuō)是很有意義的。當(dāng)你計(jì)劃一個(gè)CFD工程時(shí)，請(qǐng)利用提供給FLUENT使用者的技術(shù)

54、支持。</p><p>　　在建立控制方程組后，可將其離散成線性代數(shù)方程組進(jìn)行求解。為了構(gòu)造定解問(wèn)題，必須知道相關(guān)變量的邊界條件。最常見的邊界條件有兩大類:</p><p>　　用前處理器GAMBIT建立模型，用FLUENT求解器進(jìn)行模擬和求解一般遵循下面的基本步驟:</p><p>　　(1)在GAMBIT中構(gòu)建幾何模型或者導(dǎo)入其它CAD軟件生成的幾何模型。<

55、;/p><p>　　(2)在GAMBIT中劃分網(wǎng)格，建立網(wǎng)格模型。</p><p>　　(3)在GAMBIT中指定網(wǎng)格模型的邊界類型和區(qū)域類型，然后導(dǎo)出用于FLUENT求解器模擬計(jì)算的文件類型。</p><p>　　(4)啟動(dòng)FLUENT求解器，導(dǎo)入GAMBIT生成的網(wǎng)格模型并檢查模型的網(wǎng)格是否存在問(wèn)題。</p><p>　　(5)選擇運(yùn)行環(huán)境，

56、確定求解基本方程，即是否考慮粘性，是否存在多相流，是否考慮熱交換等問(wèn)題。</p><p>　　(6)選擇材料和設(shè)定材料相關(guān)物理特性，包括材料的密度、動(dòng)力粘性系數(shù)等。</p><p>　　(7)根據(jù)模擬要求設(shè)定邊界條件，也可以根據(jù)需要對(duì)使用GAMBIT時(shí)定義過(guò)的模型邊界類型進(jìn)行修改。</p><p>　　(8)根據(jù)計(jì)算要求設(shè)定求解的有關(guān)設(shè)置，包括算法的選擇、差值格式的

57、確定、控制參數(shù)的設(shè)置等等。</p><p>　　(9)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化，確定計(jì)算起始位置，準(zhǔn)備計(jì)算。</p><p>　　(10)設(shè)置相關(guān)信息的監(jiān)控，如殘差圖和物體固面受力報(bào)告圖等，進(jìn)行求解計(jì)算。</p><p>　　(11)顯示檢查求解結(jié)果。如果流場(chǎng)中的所有單元在一個(gè)指定的容差范圍內(nèi)都遵守給定的離散守恒方程，繼續(xù)迭代時(shí)結(jié)果不再發(fā)生明顯變化，所有的指標(biāo)都達(dá)到要求，那

58、么就可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果達(dá)到了所需要的收斂要求。</p><p>　　(12)保存求解結(jié)果，進(jìn)行后處理。</p><p>　　(13)如果必要，還可以修改網(wǎng)格或計(jì)算模型，重復(fù)上述過(guò)程，進(jìn)行重新計(jì)算。</p><p><b>　　2. 3邊界條件</b></p><p>　　第一類邊界條件，即Dirichlet條件，描述的是計(jì)

59、算區(qū)域的邊界或部分邊界上變量的值。即:</p><p><b>　　，在邊界上</b></p><p>　　式中，表示某物理量在邊界上的數(shù)值。</p><p>　　第二類邊界條件，即Neumann條件，描述的是邊界上變量梯度的法向分</p><p>　　量值。即: ，在邊界上。</p><p&

60、gt;　　式中，表示物面的單位外法向矢量，表示給定的在邊界上的法向分量。</p><p>　　對(duì)于船舶粘性繞流來(lái)說(shuō)，初始條件和邊界條件如下:</p><p>　　(1) 入口邊界條件。入口邊界要取在離船首足夠遠(yuǎn)的地方才能反映流動(dòng)</p><p>　　的真實(shí)情況。入口處的邊界條件屬于Dirichlet邊界條件:入口處的速度是預(yù)</p><p>

61、　　先給定的，一般是均勻來(lái)流條件，如果均勻來(lái)流速度為，則:</p><p>　　湍動(dòng)能k和湍流耗散率也是預(yù)先給定的，一般是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，</p><p>　　或通過(guò)有關(guān)估算公式給出。</p><p>　　(2) 出口邊界條件。出口邊界要取在距離船尾足夠遠(yuǎn)的地方以消除回流</p><p>　　等對(duì)流場(chǎng)計(jì)算有影響的現(xiàn)象。在出口處，所有變量都滿

62、足Neumann條件。出</p><p>　　口處的速度分量由上游推演得到的。在高雷諾數(shù)情況下，下游的湍動(dòng)能k和</p><p>　　湍流耗散率取零梯度。即:</p><p>　　(3) 對(duì)稱邊界條件。在對(duì)稱面上，沒(méi)有質(zhì)量、熱量等物理量的交換，因</p><p>　　此對(duì)稱面上的法向速度為零，即:</p><p>　　

63、式中，表示對(duì)稱平面的單位法向矢量。</p><p>　　這里，對(duì)稱面在船體的中縱剖面上，因此對(duì)稱邊界條件為:</p><p>　　在對(duì)稱面上，k, 的法向梯度也為零，即:</p><p><b>　　， </b></p><p>　　(4) 固壁邊界條件。對(duì)于粘性流體來(lái)說(shuō)，如果不考慮界面上的表面張力，</p&

64、gt;<p>　　由于流體的粘性，在界面上流體的速度和固體邊界的速度相等。即，在流體</p><p>　　與固體的交界面處流體與固體無(wú)相對(duì)滑移。</p><p>　　在固體邊界處，如果固體邊界的速度為，則流動(dòng)的固壁邊界條件為:</p><p><b>　　稱之為無(wú)滑移條件。</b></p><p>　　在這

65、里，固體邊界是靜止不動(dòng)的，即0 (0,0,0)，在壁面上，速度和湍動(dòng)能k滿足無(wú)滑移(no-slip)的邊界條件: </p><p>　　在靠近固壁面的區(qū)域，湍動(dòng)能k被強(qiáng)烈地耗減，耗散率達(dá)到最大值。在壁面上耗散率不為零，不能顯式給出耗散率條件。</p><p>　　2.4 SIMPLE算法</p><p>　　流場(chǎng)計(jì)算的基本過(guò)程是在空間上用有限體積法或類似方法將計(jì)算

66、域離散成許多小的體積單元，在每個(gè)體積單元上對(duì)離散后的控制方程組進(jìn)行求解。流場(chǎng)計(jì)算方法的本質(zhì)是對(duì)離散后的控制方程組的求解。目前，流場(chǎng)計(jì)算的算法主要有SIMPLE ( Semi-Implicit Method Pressure-Linked Equations)算法、SIMPLER ( SIMPLE Revised)算法、SIMPLEC ( SIMPLE Consistent)算法、PISO ( Pressure Implicit with

67、 Splitting of Operators)算法。</p><p>　　SIMPLE算法，即:求解壓力禍合方程組的半隱式方法。該方法由Patankar與Spalding于1972年提出，是一種主要用于求解不可壓流場(chǎng)的數(shù)值方法，也可用于求解可壓流動(dòng)。它的核心是采用“猜測(cè)一修正”的過(guò)程，在交錯(cuò)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來(lái)計(jì)算壓力場(chǎng)，從而達(dá)到求解動(dòng)量方程—Navier-Stokes方程的目的。SIMPLE方法的基本思想是:對(duì)于給

68、定的壓力場(chǎng)(它可以是假定的值或者是上一次迭代計(jì)算所得到的結(jié)果)，求解離散形式的動(dòng)量方程，得出速度場(chǎng)。因?yàn)閴毫?chǎng)是假定的或不精確的，由此得到的速度場(chǎng)一般是不滿足連續(xù)方程的，因此，必須對(duì)給定的壓力場(chǎng)加以修正。修正的原則是:與修正后的壓力場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)能滿足這一迭代層次上的連續(xù)方程。據(jù)此原則，我們把由動(dòng)量方程的離散形式所規(guī)定的壓力與速度的關(guān)系代入連續(xù)方程的離散形式，從而得到壓力修正項(xiàng)，由壓力修正方程得出壓力修正值。接著根據(jù)修正后的壓力場(chǎng)，求

69、解的新的速度場(chǎng)。然后檢查速度場(chǎng)是否收斂，若不收斂，用修正后的壓力值作為給定的壓力場(chǎng)，開始下一層次的計(jì)算，如此反復(fù)，直到獲得收斂的解。</p><p>　　2. 5網(wǎng)格生成技術(shù)</p><p>　　網(wǎng)格劃分是建立計(jì)算模型中很重要的一部分，網(wǎng)格劃分的好壞不僅決定了能否得到正確的數(shù)值解，還決定了求解時(shí)間的長(zhǎng)短。需要在建好流體控制域后，才可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格是建立計(jì)算模型中難度最大的部分。在

70、GAMBIT中，網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩大類，網(wǎng)格生成提供了多種技術(shù)，讓用戶可以使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(包括三角形、四邊形、四面體、六面體、金字塔形網(wǎng)格等)來(lái)解決具有復(fù)雜外形的流動(dòng)問(wèn)題，甚至可以使用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。其中，由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有著極好的自適應(yīng)性，所以對(duì)于具有復(fù)雜邊界的流場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是非常有效的，一般是通過(guò)專門的程序或軟件來(lái)生成的。網(wǎng)格區(qū)域分為單連域和多連域。繞流流動(dòng)問(wèn)題都屬于多連域問(wèn)題。本文中涉及到的船體繞流

71、，是典型的多連域問(wèn)題。由于船模線型比較復(fù)雜，導(dǎo)致計(jì)算模型的邊界復(fù)雜，故采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。</p><p>　　非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)“是在上個(gè)世紀(jì)80年代末90年代初得到迅速發(fā)展的。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的基本思想是基于如下假設(shè):四面體是實(shí)三維空間最簡(jiǎn)單的形狀，任何空間區(qū)域都可以被四面體單元所填充，即:任何空間區(qū)域都可以被以四面體為單元的網(wǎng)格所劃分。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格由三角形(二維)或四面體(三維)網(wǎng)格單元組成。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格舍去了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的

72、結(jié)構(gòu)性限制，易于控制網(wǎng)格單元的大小、形狀，即網(wǎng)格點(diǎn)的位置，因此比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格更靈活，對(duì)復(fù)雜外形的適應(yīng)能力非常強(qiáng);對(duì)于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，</p><p>　　此限制;且其網(wǎng)格中一個(gè)點(diǎn)周圍的點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)都不是固定的，因而可以方便地作自適應(yīng)計(jì)算，合理分布網(wǎng)格疏密，提高計(jì)算精度。同時(shí)，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格也存在著內(nèi)存要求大、流場(chǎng)計(jì)算需要更多CPU時(shí)間、不易應(yīng)用多重網(wǎng)格技術(shù)等缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格互補(bǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)推動(dòng)了結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)雜交網(wǎng)格的出現(xiàn)。生

73、成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的方法可歸結(jié)為兩大類，即Delaunay三角化法和推進(jìn)陣面法。</p><p>　　網(wǎng)格的合理布置和適當(dāng)加密對(duì)于提高計(jì)算精度和分辨局部流動(dòng)細(xì)節(jié)至關(guān)重要，網(wǎng)格生成的好壞將直接影響到模擬和計(jì)算結(jié)果的優(yōu)劣。生成網(wǎng)格一般要遵循下面的幾點(diǎn)原則:</p><p>　　(1)網(wǎng)格離散盡量簡(jiǎn)單，生成的網(wǎng)格要便于組成高效、節(jié)約的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這樣可以方便計(jì)算。</p><p>

74、　　(2)網(wǎng)格線盡量正交，曲線盡量光滑，不要過(guò)分扭曲。網(wǎng)格線要與流動(dòng)方向一致，有利于減少假擴(kuò)散誤差;若事先不能知道流動(dòng)方向，那么在計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際流動(dòng)更新網(wǎng)格，使之滿足要求。</p><p>　　(3)網(wǎng)格離散盡量貼體。只要網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不貼在物體表面上，物面邊界條件便要使用插值方法而產(chǎn)生誤差，流場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)參數(shù)值都依賴于邊界參數(shù)值，故相應(yīng)都有了誤差。當(dāng)物面參數(shù)變化劇烈，或流動(dòng)參數(shù)對(duì)物面形狀很敏感時(shí)，引起的誤差將會(huì)很大。&

75、lt;/p><p>　　(4)網(wǎng)格分布稀疏合理，過(guò)渡自然。</p><p><b>　　3具體措施</b></p><p><b>　　3.1 引言</b></p><p>　　為了改善漁船的性能，特別是為了提高快速性，漁船設(shè)計(jì)人員和研究人員進(jìn)行了不懈的努力和專研，開發(fā)出了許多種不同需求的特殊船體型線，

76、這些特殊性大多數(shù)集中在船首部分?，F(xiàn)在球首已經(jīng)成為了人們非常熟悉的一種特殊船首，能夠很好的減小阻力，提高船舶快速性，已被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代船舶中。尾部型線在船舶阻力方面也在一步步得到重視和改善。</p><p>　　在上一章節(jié)中，我們已經(jīng)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算和傳統(tǒng)的船模試驗(yàn)做了比對(duì)，數(shù)據(jù)說(shuō)明在一定程度上數(shù)值模擬計(jì)算可以替代船模試驗(yàn)進(jìn)行阻力計(jì)算。在這個(gè)章節(jié)中，我們將主要對(duì)42m拖網(wǎng)漁船的球鼻艏進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的優(yōu)選，通過(guò)球鼻艏

77、長(zhǎng)度、寬度和高度的變化來(lái)計(jì)算其對(duì)船體阻力的影響；其次對(duì)尾部線型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的對(duì)比，選出阻力最小的尾部型線；再者對(duì)用來(lái)增加漁船穩(wěn)性的外龍骨進(jìn)行阻力數(shù)值模擬的對(duì)比。通過(guò)上面的優(yōu)選結(jié)果，選取出一優(yōu)秀的船型對(duì)其進(jìn)行阻力的數(shù)值模擬計(jì)算，與原始模型進(jìn)行對(duì)比。</p><p>　　3.2球鼻艏的數(shù)值模擬優(yōu)選</p><p>　　根據(jù)有關(guān)球鼻船首的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以得知：如果安裝適當(dāng)?shù)那虮囚寄芷鸬綔p少

78、阻力的作用。對(duì)于Fr在0.27-0.34之間的中高速船，安裝球鼻艏可以有效地降低船體受到的興波阻力。魏格來(lái)曾作過(guò)這樣的理論研究，他認(rèn)為在水面下運(yùn)動(dòng)的球鼻艏也能水面產(chǎn)生波浪。如果球鼻艏的大小和安裝位置選擇適當(dāng)?shù)脑挘霸谝欢ㄋ俣确秶鷥?nèi)航行時(shí)，球鼻艏產(chǎn)生的波系有可能與船體波系發(fā)生有利干擾作用，致使合成波的波高相對(duì)降低，興波阻力也隨之下降。對(duì)于低速肥大型船舶，安裝球鼻艏可以大大改善船首柱附近的壓力分布，從而緩和了船首破波情況，降低破波阻力。&

79、lt;/p><p>　　球鼻的幾何特征形狀可以用下面幾個(gè)參數(shù)表示[56]:</p><p>　　(1)相對(duì)突出長(zhǎng)度:這里是球鼻最前端至首柱的距離，是船的兩柱間長(zhǎng)。</p><p>　　(2)相對(duì)浸深:這里是球鼻中心或球鼻最前點(diǎn)或者最大寬度處距靜水面的距離，為船的吃水。</p><p>　　(3)最大寬度比為：是首柱處球鼻剖面的最大寬度，為船寬。&

80、lt;/p><p>　　(4)球鼻面積比為: ，這里是首柱處球鼻剖面面積，而是船中橫剖面的面積。</p><p>　　(5)相對(duì)排水體積比：這里是球鼻所增加的排水體積，為船體排水體積。</p><p>　　上面的參數(shù)基本上對(duì)球鼻的幾何形狀特征進(jìn)行了描述。本節(jié)所要研究球鼻艏的改變對(duì)船體阻力的影響，主要是通過(guò)研究這些幾何形狀特征參數(shù)的變化對(duì)船體阻力的影響[62]。由于目前有

81、關(guān)球鼻的資料都是針對(duì)某一特定船型而言的，有些認(rèn)為十分成功的球首，在其他船上應(yīng)用時(shí)并不一定能獲得滿意的結(jié)果?，F(xiàn)有的球鼻船首的形狀和參數(shù)變化范圍是各不相同的，而最重要的是球鼻形狀及參數(shù)等和船體必須恰當(dāng)?shù)呐浜?。因此在這一節(jié)中，將分別從球首的長(zhǎng)度變化、高度變化和寬度變化中找到與42m拖網(wǎng)漁船相匹配的球首，從而有效地降低船體阻力。</p><p>　　3.2.1球鼻艏的長(zhǎng)度優(yōu)選</p><p>　　

82、這一部分將球鼻艏長(zhǎng)度作為自變量，考慮球鼻艏長(zhǎng)度變化給對(duì)于船體興波阻力的影響，本節(jié)共選擇了五個(gè)模型，分別是球鼻艏長(zhǎng)度伸長(zhǎng)50%（模型A），球鼻艏伸長(zhǎng)25%（模型B)，球鼻艏縮短15％(模型C)，原始模型(模型D)以及無(wú)球鼻艏的模型（模型E)。在設(shè)計(jì)航速11knot進(jìn)行數(shù)值模擬，分析球鼻艏長(zhǎng)度變化帶來(lái)的船體興波的變化，用于數(shù)值模擬的船模尺度相對(duì)實(shí)船尺度按縮尺比λ = 1：10 的比例選取，船模與實(shí)船的船型要素見表5-1：</p>

83、<p><b>　　表3-1 主尺度</b></p><p>　　Tab 5.1 Principal dimensions </p><p>　　三維模型分別如下圖所示：</p><p>　　3.2.1.1 計(jì)算域的建立和網(wǎng)格劃分</p><p>　　計(jì)算域采用一長(zhǎng)方體。該計(jì)算域的長(zhǎng)為6倍船長(zhǎng)，即28560

84、mm，船艏向前延伸1個(gè)倍船長(zhǎng)，即船首距離計(jì)算域入口為1倍船長(zhǎng)，船尾向后延伸4倍船長(zhǎng)，即船尾距離計(jì)算域出口為4倍船長(zhǎng)。中縱剖面向船側(cè)延伸1倍船長(zhǎng)，即4760mm，自由表面與計(jì)算域水底部相距為1倍船長(zhǎng)，與計(jì)算域空氣頂部相距為1倍吃水。拖網(wǎng)漁船模型與計(jì)算域具體位置如圖3-6所示：</p><p>　　在計(jì)算域建好后，對(duì)其進(jìn)行合理的網(wǎng)格分塊劃分。這樣便于下一步體網(wǎng)格的生成，具體分塊策略如圖所示：</p>&

85、lt;p>　　在進(jìn)行了分塊劃分后，為了便于體網(wǎng)格的生成，我們?cè)诖w部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行體網(wǎng)格的生成，在船體前方和后方用結(jié)構(gòu)化的六面體進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分，最終生成的體網(wǎng)格如下圖所示：</p><p><b>　　\</b></p><p>　　3.2.1.2計(jì)算航速</p><p>　　數(shù)值模擬基于傅汝德相似準(zhǔn)則，傅汝德數(shù)（Fr）為相似準(zhǔn)

86、數(shù)。對(duì)船模的阻力和粘性流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，相應(yīng)的船模速度和實(shí)船速度如下表4-2 所示（表中Vs 為實(shí)船航速，Vm 為模型航速，傅汝德數(shù)）。</p><p>　　表3-2 船模運(yùn)動(dòng)速度與對(duì)應(yīng)的實(shí)船速度</p><p>　　Tab 5.2 Ship model speed and the corresponding ship speed</p><p>　　3.2.1.3

87、邊界條件和計(jì)算方法</p><p>　　對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的一個(gè)必要條件就是要合理地給出邊界條件，邊界條件的選取一般為：入口、對(duì)稱面、出口和壁面。如圖5-10所示：</p><p>　　速度入口：制定來(lái)流速度，本文采用空氣速度入口和水速度入口。</p><p>　　對(duì)稱面：在對(duì)稱面上，本文在船中縱剖面采用對(duì)稱邊界。</p><p>　　壓力出

88、口：為了便于計(jì)算收斂，本文在采用壓力出口。</p><p>　　壁面：在船體表面的固壁處，滿足無(wú)滑移壁面條件。</p><p>　　本節(jié)湍流模型采用SST模型，對(duì)流項(xiàng)使用一階迎風(fēng)格式離散，壓力和速度耦合方程采用SIMPLE算法，按照VOF模型要求，壓力用PRESTO！離散。其他的插值格式都采用一階迎風(fēng)格式。使用速度入口處的參數(shù)來(lái)初始化流場(chǎng)，無(wú)因次時(shí)間步長(zhǎng)初始為0.001，逐步提高時(shí)間步長(zhǎng)，

89、縮短數(shù)值模擬計(jì)算的時(shí)長(zhǎng)。并通過(guò)監(jiān)視圖顯示的變量的殘差、統(tǒng)計(jì)值、力的收斂趨勢(shì)等，對(duì)數(shù)值計(jì)算的收斂性和當(dāng)前求解計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行隨時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)視。</p><p>　　3.2.1.4計(jì)算數(shù)據(jù)分析</p><p>　　表3-3 模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果</p><p>　　Tab 3.3 The results of numerical calculation of models<

90、;/p><p>　　表3-4 計(jì)算結(jié)果分析</p><p>　　Tab 3.4 Analysis of the calculation results</p><p>　　從表3-3中可以看出，無(wú)球鼻艏對(duì)于拖網(wǎng)漁船在設(shè)計(jì)航速下，其阻力值最大，并從圖5-11中可以看出，無(wú)球鼻艏模型自由液面上升最大，會(huì)造成額外的興波阻力，因此采用球鼻艏可以降低船舶所受到的阻力。其次表3-3

91、中可以看出，當(dāng)改變球鼻艏長(zhǎng)度時(shí)，增大球鼻艏長(zhǎng)度的雖然會(huì)適當(dāng)增加摩擦阻力，但是卻會(huì)大幅度減少首部興波阻力而達(dá)到降低船舶整體的興波阻力。</p><p>　　圖3-11五種模型的自由表面升高圖</p><p>　　Fig 3.11 The map of free surface rise for five models</p><p>　　當(dāng)球鼻艏伸長(zhǎng)50%時(shí)，剩余阻力

92、相對(duì)于無(wú)球鼻艏模型降低18.09%，因此球鼻艏存在降低剩余阻力成分中的興波阻力。在研究中球鼻艏長(zhǎng)度帶來(lái)阻力的變化時(shí)，當(dāng)球鼻艏伸長(zhǎng)50%時(shí)，其剩余阻力相對(duì)于原始模型減少3.7%，而由于濕表面積增加導(dǎo)致摩擦阻力增加因此總阻力相對(duì)于原始模型減少1.34%。 </p><p>　　當(dāng)球鼻艏伸長(zhǎng)25%時(shí)，剩余阻力相對(duì)于無(wú)球鼻艏模型降低14.88%，也有效降低了剩余阻力成分中的興波阻力。而伸長(zhǎng)的25%球鼻增加了船體的濕表面積

93、，故而增加了船體的摩擦阻力。</p><p>　　當(dāng)球鼻艏縮短15%時(shí)，模型C的濕表面積也隨之減小，使其受到的摩擦阻力小于原始球鼻受到的摩擦阻力。但其受到的剩余阻力卻相對(duì)于原始球鼻增加了10.52%左右。</p><p>　　從上面的數(shù)據(jù)分析中，我們可以看出，在以球鼻艏長(zhǎng)度作為自變量的五種模型中，當(dāng)球鼻艏伸長(zhǎng)50%時(shí)，船體整體受到的阻力較小。</p><p>　　由

94、于船首和船尾均為流場(chǎng)的壓力峰值，故在這兩處的波浪尤為顯著，這點(diǎn)從上面的自由液面云圖中可以體現(xiàn)出來(lái)。從圖5-12中，我們可以看到球鼻艏伸長(zhǎng)50%的模型A造成的興波比原始模型造成的興波小，這是由于伸長(zhǎng)50%的球鼻艏對(duì)船體波系產(chǎn)生了有利的干擾，致使合成波的波高相對(duì)降低，興波阻力也隨之下降。圖5-13到5-15也都可以看出球鼻艏長(zhǎng)度的變化對(duì)興波的影響。</p><p>　　數(shù)值仿真模擬計(jì)算不僅可以直接計(jì)算出所需的力及其系

95、數(shù)，還能直觀地給出流場(chǎng)中各種流動(dòng)細(xì)節(jié)云圖諸如壓力分布圖和速度矢量圖等等。下面給出這五種模型的部分流場(chǎng)圖：</p><p>　　3.2.2球鼻艏的高度優(yōu)選</p><p>　　這一部分將球鼻中心高度作為自變量，考慮球鼻艏高度位置變化給對(duì)于船體興波阻力的影響，本節(jié)以Zb/d為設(shè)計(jì)變量，分別是考慮球鼻艏中心高度Zb/d為18.086%（模型A)、球鼻艏中心高度Zb/d為36.172%(模型B)、

96、球鼻艏中心高度Zb/d為54.259%(模型C)以及無(wú)球鼻艏的模型（模型D)這四個(gè)模型在設(shè)計(jì)航速11knot進(jìn)行數(shù)值模擬，分析球鼻艏高度變化帶來(lái)的船體興波的變化，用于數(shù)值模擬的船模尺度相對(duì)實(shí)船尺度按縮尺比λ = 1：10 的比例選取，船模與實(shí)船的船型要素見表3-1：</p><p>　　三維模型分別如圖所示：</p><p>　　3.2.2.1數(shù)值仿真模擬</p><p

97、>　　要進(jìn)行數(shù)值仿真模擬計(jì)算，就要按照其計(jì)算流程一步一步走。這里參照球鼻艏長(zhǎng)度優(yōu)選的操作進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　3.2.2.2計(jì)算數(shù)據(jù)分析</p><p>　　表3-5 模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果</p><p>　　Tab 3.5 The results of numerical calculation of models</p><p&g

98、t;　　表3-6 計(jì)算結(jié)果分析</p><p>　　Tab 3.6 Analysis of the calculation results</p><p>　　從表3-5中可以看出，無(wú)球鼻艏對(duì)于拖網(wǎng)漁船在設(shè)計(jì)航速下，其阻力值最大，并從圖3-30中可以看出，無(wú)球鼻艏模型自由液面上升最大，會(huì)造成額外的興波阻力，因此采用球鼻艏可以降低船舶所受到的阻力。從表3-6中可以看出，在這四個(gè)模型當(dāng)中，減阻

99、效果較好的為降低球鼻艏高度使Zb/d為18%。</p><p>　　當(dāng)降低球鼻艏高度使Zb/d為18%時(shí)，摩擦阻力相對(duì)于無(wú)球鼻艏模型增加了0.38%，剩余阻力相對(duì)于無(wú)球鼻艏模型降低19.15%?？傋枇ο禂?shù)相對(duì)于無(wú)球鼻艏模型降低11.15%，且舷側(cè)Y=0.4處的船體首部波浪升高為最小。</p><p>　　當(dāng)升高球鼻艏高度且使Zb/d為54%時(shí)，剩余阻力在這四個(gè)模型中下降最多，其值相對(duì)于無(wú)球

100、鼻艏模型降低了19.34%，明顯起到抑制興波阻力。但是摩擦阻力相對(duì)于無(wú)球鼻艏模型增加了5.59%，故總阻力下降相對(duì)于無(wú)球鼻艏時(shí)略小于模型B。</p><p>　　從上面的分析當(dāng)中，我們可以看出，降低球鼻艏高度使Zb/d為18%時(shí)，總阻力相對(duì)于原始模型降低了2.47%；升高球鼻艏高度且使Zb/d為54%時(shí)，總阻力相對(duì)于原始模型降低了0.71%。不管是降低球鼻艏高度和還是升高球鼻艏高度都可以有效降低總阻力，因此對(duì)于降

101、低球鼻艏高度和升高球鼻艏高度有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究。</p><p>　　圖5-31到圖5-34分別為模型A、B、C和D的自由液面等值線云圖，從圖中我們可以很直觀地看到升高球鼻艏高度且使Zb/d為54%的模型C造成的興波最小。說(shuō)明球鼻艏的這個(gè)形狀造成的波系對(duì)船體波系產(chǎn)生了很好的有利干擾，致使合成波的波高相對(duì)降低，興波阻力也隨之下降，這點(diǎn)和表中的數(shù)據(jù)相吻合。</p><p>　　下面給出這四種

102、模型的部分流場(chǎng)圖：壓力分布圖和速度矢量圖。</p><p>　　3.2.3球鼻艏的寬度優(yōu)選</p><p>　　這一部分將球鼻中心首垂線處橫剖面面積作為自變量，考慮球鼻艏寬度變化給對(duì)于船體興波阻力的影響。本節(jié)以Ae/Ab為設(shè)計(jì)變量，其中Ae指代球鼻艏首垂線處橫剖面面積，Ab指代中橫剖面面積，這一節(jié)分別考慮球鼻艏的Ae/Ab為3.769%（模型A)、球鼻艏的Ae/Ab為7.602%(模型B)

103、、球鼻艏的Ae/Ab為9.435%(模型C)、球鼻艏的Ae/Ab為11.329%(模型D)、球鼻艏的Ae/Ab為13.224%(模型E)、球鼻艏的Ae/Ab為15.122%(模型F)以及無(wú)球鼻艏的模型（模型G)這七個(gè)模型在設(shè)計(jì)航速11knot進(jìn)行數(shù)值模擬，分析球球鼻艏不同寬度化帶來(lái)的船體興波的變化。用于數(shù)值模擬的船模尺度相對(duì)實(shí)船尺度按縮尺比λ = 1：10 的比例選取，船模與實(shí)船的船型要素見表5-1：</p><p&

104、gt;　　球鼻艏首垂線處橫剖面曲線圖如圖3-43所示:</p><p>　　三維模型分別如圖所示：</p><p>　　3.2.3.1數(shù)值仿真模擬</p><p>　　在確定了數(shù)值模擬計(jì)算的七種模型之后，參照球鼻艏長(zhǎng)度優(yōu)選的操作對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。</p><p>　　3.2.3.2計(jì)算數(shù)據(jù)分析</p><p>　　

105、表3-7 模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果</p><p>　　Tab 3.7 The results of numerical calculation of models</p><p>　　表3-8 計(jì)算結(jié)果分析</p><p>　　Tab 3.8 Analysis of the calculation results</p><p>　　從表3-7中可

106、以看出，無(wú)球鼻艏對(duì)于拖網(wǎng)漁船在設(shè)計(jì)航速下，其阻力值最大，并從圖3-51中可以看出，無(wú)球鼻艏模型自由液面上升最大，會(huì)造成額外的興波阻力，因此采用球鼻艏可以降低船舶所受到的阻力。</p><p>　　圖3-51 七個(gè)模型船體舷側(cè)Y=0.4處自由表面升高圖</p><p>　　Fig 3.51 The map of free surface rise at Y=0.4 for seven mod

107、els</p><p>　　從表3-7和表3-8中可以看出，當(dāng)降低球鼻艏寬度使Ae/Ab為3.769%時(shí)，摩擦阻力相對(duì)于無(wú)球鼻艏模型增加了1.80%，而剩余阻力相對(duì)于無(wú)球鼻艏模型卻減少了0.30%?？傋枇ο鄬?duì)增加了1.04%。</p><p>　　當(dāng)增加球鼻艏寬度使Ae/Ab為9.435%時(shí)，摩擦阻力相對(duì)于無(wú)球鼻艏模型增加了2.09%，剩余阻力在這個(gè)時(shí)候相對(duì)于無(wú)球鼻艏模型卻減少了14.98