船槳舵相互作用的重疊網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值方法研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法的飛速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD）開始活躍于船舶與海洋工程的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，已有越來(lái)越多研究工作基于 CFD方法開展研究。然而CFD在船舶與海洋工程中的發(fā)展一直受困于多個(gè)瓶頸。其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。在實(shí)際船舶工程問(wèn)題當(dāng)中，船舶上會(huì)安裝螺旋槳、舵等活動(dòng)附體。這些活動(dòng)附體會(huì)對(duì)船體的受力和運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生較大的影響。在處理這類船、槳、舵相互作用的問(wèn)題上，不僅需要處理船舶在自由面上的六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還需要考慮螺

2、旋槳和舵相對(duì)于船體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的動(dòng)網(wǎng)格方法很難同時(shí)處理船、槳、舵三者的耦合運(yùn)動(dòng)。重疊網(wǎng)格方法是解決這類問(wèn)題的有效方法之一，并實(shí)現(xiàn)船、槳、舵相互作用的數(shù)值模擬。重疊網(wǎng)格技術(shù)可以破除物體與網(wǎng)格之間的約束關(guān)系，能夠使船體在自由面上擁有大幅度六自由度運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，讓各類附體相對(duì)于船體自由地轉(zhuǎn)動(dòng)。在重疊網(wǎng)格的幫助下，能夠有效解決船、槳、舵相互配合等復(fù)雜問(wèn)題的計(jì)算。
　　本博士論文的目標(biāo)是基于開源代碼OpenFOAM，深入研究和開發(fā)重疊網(wǎng)格

3、技術(shù)，并使用重疊網(wǎng)格技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)船、槳、舵相互作用等問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算。本文在基于OpenFOAM的數(shù)值方法、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式以及非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的特點(diǎn)上，利用SUGGAR程序生成重疊網(wǎng)格的插值信息，開發(fā)出了重疊網(wǎng)格模塊。在該模塊的開發(fā)過(guò)程中分為靜態(tài)重疊網(wǎng)格和動(dòng)態(tài)重疊網(wǎng)格方法兩部分。
　　在靜態(tài)重疊網(wǎng)格開發(fā)中，完成了并行化等功能的優(yōu)化，提高計(jì)算效率，并統(tǒng)一模塊接口，使 OpenFOAM中的任意控制方程均可以通過(guò)該模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)重疊網(wǎng)格方法。在并行化過(guò)

4、程中，將用于重疊網(wǎng)格通信的插值信息進(jìn)行重新編號(hào)和有效分塊，并利用MPI將每塊的插值信息傳遞給對(duì)應(yīng)進(jìn)程。在插值信息分塊過(guò)程中，根據(jù)網(wǎng)格區(qū)域分塊的結(jié)果進(jìn)行有效處理，只傳遞給每個(gè)進(jìn)程所需的信息，避免多余信息的傳遞，以提高并行效率。與此同時(shí)，為了提高重疊網(wǎng)格模塊的通用性，并且使其能夠用于其它問(wèn)題以及數(shù)學(xué)模型當(dāng)中，本文利用了 C++語(yǔ)言中的面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，公用接口采用抽象類的方法，使函?shù)接口統(tǒng)一。
　　在動(dòng)態(tài)重疊網(wǎng)格的開發(fā)中，本文完成了

5、多級(jí)物體運(yùn)動(dòng)模塊的開發(fā)以及通信模式的優(yōu)化。在多級(jí)物體運(yùn)動(dòng)模塊中，船體作為父物體在自由面上進(jìn)行六自由度運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，螺旋槳和舵作為子物體還能相對(duì)于船體進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。利用該模塊可以實(shí)現(xiàn)船、槳、舵相互配合等問(wèn)題的CFD計(jì)算。同時(shí)本文基于MPI完成OpenFOAM與SUGGAR之間的通信模式的優(yōu)化。該優(yōu)化方法將OpenFOAM與SUGGAR分別置于不同進(jìn)程中運(yùn)行，并利用延遲算法，使兩者能夠同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，有效解決普通動(dòng)態(tài)重疊方法中CFD計(jì)算進(jìn)程閑置的問(wèn)

6、題，從而大幅度減少動(dòng)態(tài)問(wèn)題中的計(jì)算時(shí)間。
　　為了有效解決計(jì)算船舶水動(dòng)力學(xué)中的船、槳、舵配合等問(wèn)題，本文將重疊網(wǎng)格方法與開源CFD工具箱 OpenFOAM相結(jié)合，開發(fā)出面向船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)的數(shù)值求解器 naoeFoam-os-SJTU。該求解器具有動(dòng)態(tài)重疊網(wǎng)格的處理計(jì)算能力，以及針對(duì)重疊網(wǎng)格方法所開發(fā)的多級(jí)物體的六自由度運(yùn)動(dòng)模塊，能夠用于實(shí)現(xiàn)船、槳、舵的相互作用和運(yùn)動(dòng)耦合等復(fù)雜問(wèn)題的計(jì)算。
　　為了驗(yàn)證該重疊網(wǎng)格模塊以

7、及展示重疊網(wǎng)格方法在處理各類復(fù)雜問(wèn)題時(shí)的能力，本文進(jìn)行了自航推進(jìn)、自航操縱和帶槳耐波性三部分算例的驗(yàn)證。第一部分是 KCS的自航推進(jìn)問(wèn)題。利用重疊網(wǎng)格，解決螺旋槳在船后的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，完成KCS帶槳的自航推進(jìn)問(wèn)題的計(jì)算，并得出KCS的自航推進(jìn)因子。第二部分為船舶帶槳、帶舵的自航操縱問(wèn)題。在自航操縱計(jì)算中，船舶具有六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，并且由螺旋槳提供船舶前行的推力、由舵提供船舶轉(zhuǎn)向的力矩。計(jì)算的算例包括KCS的Z形操縱模擬、全附體DTMB541

8、5M模型的Z型操縱和回轉(zhuǎn)操縱試驗(yàn)計(jì)算。第三部分增加了波浪的因素，計(jì)算KCS船模在波浪中的螺旋槳推進(jìn)和船體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。所有算例中的螺旋槳和舵均通過(guò)重疊網(wǎng)格方法進(jìn)行離散，并且能夠相對(duì)船體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以進(jìn)行船、槳、舵的整體模擬。三部分算例均有模型試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證，并得到令人滿意的比較結(jié)果，充分驗(yàn)證了重疊網(wǎng)格方法在處理這類船、槳、舵相互作用問(wèn)題上的有效性和準(zhǔn)確性。通過(guò)這三部分算例的計(jì)算和驗(yàn)證，證明了重疊網(wǎng)格方法能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)動(dòng)網(wǎng)格方法所無(wú)法