一种三维数字船模虚拟阻力实验方法及系统与流程
本发明属于水面舰船阻力性能实验领域，更具体地，涉及一种三维数字船模虚拟阻力实验方法及系统。
背景技术：
船舶水动力性能的研究是船舶综合航行性能预报技术的基础，也是新型船舶研究开发首先需要解决的关键问题之一。船舶的水动力性能包含多个方面，涉及多个学科领域，其中船舶阻力是水动力性能中的重要性能之一。阻力性能的优劣，对民用船舶来说将在一定程度上影响船舶的使用性和经济性，对军用舰艇而言，阻力性能与提高舰艇的作战性能密切相关。
船舶阻力预报是船舶水动力学的难点之一，随着计算流体力学(computationalfluiddynamics，cfd)的发展，cfd方法在水动力性能预报方面的应用日益广泛。cfd虚拟实验相比模型实验来说具有其独特的优势，它可以很方便地提供船体周围流场的各种信息，便于研究者分析各种水动力现象的内在原因。
尽管近年水动力学方法和计算技术有长足进展，但迄今尚未有较成熟可靠的理论。就粘性理论而言，就存在多种湍流模式，计算结果也很大程度上依赖于网格数目和划分方法、收敛的控制、使用者的技巧等因素，还有针对不同的船型，其cfd方法也会有所不同。众多国际船舶水动力学学术会议包括ittc并未给出各船型阻力cfd预报的指南性文件供研究者参考。所以，船舶阻力性能cfd预报方法的统一性和标准化有待学者们进一步的研究。
在此之前，则需要一种可靠的船舶阻力cfd虚拟实验方法作为参考。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维数字船模虚拟阻力实验方法及系统，其目的在于，通过构建数字船模和三维虚拟数值水池，采用全结构化的六面体网格离散流场计算域，运用运动微分方程和vof自由面方程建立船舶自由面运动数学模型，运用雷诺平均方程建立船舶非自由面运动数学模型，实现船舶各阻力成分和详细流场信息的虚拟测量，从而提供一种可靠的船舶阻力cfd虚拟实验方法。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三维数字船模虚拟阻力试验方法，包括如下步骤：
(1)建立船模数字模型和船模数字模型所处的流场计算域；
(2)在数字船模周围的流场计算域内布置全结构化的六面体网格，离散流场计算域；
(3)设定边界条件，采用基于完全结构化网格的有限体积法，在步骤(2)划分的六面体网格基础上模拟船模数字模型的带自由面运动和非自由面运动，分别测得船模数字模型的兴波阻力系数和粘性阻力系数；
(4)由兴波阻力系数和粘性阻力系数得到船舶的总阻力系数，以及流场计算域内的流场信息；船舶的总阻力系数为兴波阻力系数与粘性阻力系数之和；
(5)对步骤(4)的流场信息进行流体动力分析，得到船舶自由面波高分布曲线和船舶自由面兴波分布云图。
进一步地，步骤(1)中船模数字模型和流场计算域各建立两个，一个用于测量兴波阻力系数，另一个用于测量粘性阻力系数。
进一步地，步骤(3)中，基于理想流体运动微分方程和vof自由面方程构建船模数字模型的自由面运动数学模型，模拟船模数字模型的带自由面运动。
进一步地，基于理想流体运动微分方程和vof自由面方程构建船模数字模型的自由面运动数学模型如下：
式中，ρ为流体的密度，t为时间，u、v、w分别为x、y和z方向的速度分量，fx、fy、fz分别为x、y和z方向的质量力，p为流体压力，a1、a2分别为空气相、水相的体积分数，
进一步地，步骤(3)中，采用雷诺平均方程实现船模阻力实验进行的非自由面运动模拟。
进一步地，基于粘性流体运动基本方程构建船模非自由面运动数学模型：
式中，ρ为流体的密度，t为时间，ui和uj为流体的时均速度，ui′和u′j为流体的脉动速度，
进一步地，步骤(1)中建立船舶数字模型的步骤如下：
1.1.1在三维空间中将船舶二维型线图展开，得到船舶三维空间型线图；
1.1.2以横剖面线为轮廓线，以中纵面线和甲板边线为引导线，生成船体曲面；
1.1.3对船体曲面的光顺性和连续性进行修整，生成数字船模三维曲面。
进一步地，步骤(1)中建立船模数字模型所处的流场计算域的方法如下：
(1.2.1)虚拟数值水池大小确定：先假设一个足够大的计算空间，计算船舶高速运动下的完整流场，通过分析流场波动所延伸的区域，以流场波动停止的位置来界定初步计算域的大小，然后在初步计算域附近选取若干个位置，通过计算船舶受到的流体阻力在这些位置上的收敛性来确定最终计算域；其中，选取的位置决定了流场计算域的大小，当流场计算域扩大至某一位置后，随着流场计算域的进一步扩大，得到的流体阻力大小不再波动，则表示船舶受到的流体阻力在该位置收敛，将此时的流场计算域确定为最终计算域；
(1.2.2)根据最终计算域确定虚拟数值水池边界条件设置：
对于带自由面运动模型，其边界条件如下：空气域和水域的来流进口均设为速度入口条件，下游出口也均设为速度入口或压力出口条件，计算域上表面设为速度入口条件，侧面和底面设为壁面条件，船体表面设为壁面条件，中心对称面设为对称条件；
对于非自由面运动模型，其边界条件如下：来流进口设为速度入口条件，下游出口也设为速度入口或压力出口条件，计算域上表面设为对称条件，侧面和底面设为壁面条件，船体表面设为壁面条件，中心对称面设为对称条件；
步骤(3)中的边界条件即按照步骤(1.2.2)确定的边界条件设置。
进一步地，步骤(2)中的全结构化的六面体网格划分方法为：
(2.1)创建流场计算域的整体三维block，并且建立远场曲线与对应block的边的映射关系；
(2.2)按坐标轴的方向逐个划分block：首先在船模数字模型的船体周围划分出一个长方体block将船体包围，然后在长方体block中构造l-block，勾勒出船体形状；
(2.3)船模数字模型的船首区域block的划分：将船首附近的block进行细化，然后沿着船首轮廓线寻找邻近block的边与之关联，勾勒出船首拓扑结构；其中，对于圆弧轮廓线处，进行o-block划分；
(2.4)船模数字模型的尾部区域block的划分：将船尾的尾封板下方空白区域的block进行细化，然后寻找邻近船尾轮廓线的block，将其边与轮廓线关联；其中，每个block只能位于船体表面的一侧，而不能贯穿船体表面，从而勾勒出尾部区域的拓扑结构；在尾封板轮廓线、桨轴处轮廓线和桨轴上方处轮廓线的位置进行o-block划分；
(2.5)删除船体内部多余的block，得到表征整个流场计算域的块；将整个计算域几何形状的点、线、面与块的顶、边、面关联，得到最终的计算域拓扑结构；
(2.6)网格节点布置：分别定义计算域拓扑结构中各相关边的节点参数，包括节点数、节点分布律；
其中，节点总体分布规律是：由近场到远场，网格分布由密到稀；存在自由面时，自由面处网格加密；以无因次参数y+来表示船体表面第一层网格节点的高度，y+计算公式如下：
式中，y为第一层网格节点距离船体表面的实际高度，l为船长，re为雷诺数。
为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种三维数字船模虚拟阻力试验系统，包括处理器以及三维数字船模虚拟阻力试验程序模块，所述三维数字船模虚拟阻力试验程序模块在被所述处理器调用时，实现如前所述的任意一种三维数字船模虚拟阻力试验方法。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过构建三维虚拟数值水池，采用全结构化的六面体网格离散流场计算域，运用运动微分方程和vof自由面方程建立船舶自由面运动数学模型，运用rans方程建立船舶非自由面运动数学模型，实现船舶各阻力成分和详细流场信息的测量。
2、本发明能够为船舶的设计和优化提供基础的水动力数据和流场信息，相比于在水池开展的船模阻力试验，数值虚拟实验经济环保，可以避免水池尺度效应的影响，可以随着设计优化的修改随时修改数字模型已达到优化设计的目标。
3、与现有的实验方法相比，本发明的优势在于提供了一套完整的应用于流体计算域的全结构化六面体网格划分方法，节省了网格划分时间，提高了计算精度。
4、本发明的优势还在于能够分别计算船舶的兴波阻力和粘性阻力，得到船舶周围详细的流场信息，为船舶阻力优化工作提供理论依据。
附图说明
图1是本发明优选实施例的整体三维块示意图；
图2是本发明优选实施例的船体block划分示意图，其中(a)为船体整体block示意图，(b)为船体l-block示意图，(c)为船体周围block示意图；
图3是本发明优选实施例的船首block示意图；
图4是本发明优选实施例的船尾block示意图；
图5是本发明优选实施例的计算域拓扑结构；
图6是本发明优选实施例的数字船模虚拟实验流程；
图7是本发明优选实施例的三维数字船模曲面造型，其中，(a)为船体模型侧视图，(b)为船体模型仰视图，(c)为船体模型船首视图，(d)为船体模型尾部视图；
图8是本发明优选实施例的三维虚拟数值水池构建；
图9是本发明优选实施例的流体计算域的全结构化六面体网格划分；
图10是本发明优选实施例的船舶带自由面运动网格；
图11是本发明优选实施例的船舶非自由面运动网格；
图12是本发明优选实施例的兴波阻力系数计算收敛曲线；
图13是本发明优选实施例的粘性阻力系数计算收敛曲线；
图14是本发明优选实施例的自由面波高分布曲线；
图15是本发明优选实施例的自由面兴波分布云图；
图16是本发明优选实施例的主要步骤示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1－l-block，2－船体周围block，3－空气计算域，4－水流计算域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图16所示，本发明的三维数字船模虚拟阻力试验方法主要步骤如下：
(1)建立船模数字模型和船模数字模型所处的流场计算域；
(2)在数字船模周围的流场计算域内布置全结构化的六面体网格，离散流场计算域；
(3)设定边界条件，采用基于完全结构化网格的有限体积法，在步骤(2)划分的六面体网格基础上模拟船模数字模型的带自由面运动和非自由面运动，分别测得船模数字模型的兴波阻力系数和粘性阻力系数；
(4)由兴波阻力系数和粘性阻力系数得到船舶的总阻力系数，以及流场计算域内的流场信息；船舶的总阻力系数为兴波阻力系数与粘性阻力系数之和；
(5)对步骤(4)的流场信息进行流体动力分析，得到船舶自由面波高分布曲线和船舶自由面兴波分布云图。
具体地，在本发明的一个优选实施例中，如图6所示，应用cfd软件模拟船模阻力实验的步骤如下：
1、建立两个船模数字模型和船模数字模型所处的流场计算域，一个用于测量兴波阻力系数，另一个用于测量粘性阻力系数，包括如下子步骤：
1.1应用catia建立虚拟实验用三维数字船舶模型
(1.1.1)将船舶二维型线图导入catia的二维草图中，在三维空间中将二维型线图展开，得到船舶三维空间型线图。
(1.1.2)以横剖面线为轮廓线，以中纵面线和甲板边线为引导线，基于loft命令生成船体曲面。对于船体船首和尾部曲率变化比较大的部分，难以一步生成一整块曲面，此时，需要补充一些水线和加密的横剖面线，然后分别以这些水线和横剖面线作为引导线和轮廓线生成船舶曲面。
(1.1.3)检查曲面的光顺性和连续性。采用曲率法和多视角的观察法来检查曲面的光顺性，也可采用直观的光照法(或斑马线法)；采用连接检查器来检查曲面的连续性。船体曲面质量检查完后，对于局部不满意的曲面造型，需要进行调整和修改，主要是通过加减控制点和控制线对质量不好的曲面进行重新造型。最终生成整个数字船模三维曲面，如图7的(a)～(d)所示。
1.2建立三维虚拟数值水池
(1.2.1)虚拟数值水池大小确定。先假设一个足够大的计算空间，计算高速下的完整流场，通过分析流场波动所延伸的区域来界定初步计算域的大小，然后在初步计算域附近选取若干个值，通过计算力的收敛性来确定最终计算域，如图8所示，本实施例设定非自由面运动模型无空气域。
(1.2.2)虚拟数值水池边界条件设置。对于带自由面运动模型，其边界条件如下：空气域和水域的来流进口均设为速度入口条件，下游出口也均设为速度入口或压力出口条件，计算域上表面设为速度入口条件，侧面和底面设为壁面条件，船体表面设为壁面条件，中心对称面设为对称条件。对于非自由面运动模型，其边界条件如下：来流进口设为速度入口条件，下游出口也设为速度入口或压力出口条件，计算域上表面设为对称条件，侧面和底面设为壁面条件，船体表面设为壁面条件，中心对称面设为对称条件。
2、在数字船模周围的流场计算域内布置全结构化的六面体网格，离散流场计算域。
(2.1)创建流体计算域整体三维block，并且建立远场曲线与对应block的边的映射关系，如图1所示。
(2.2)按坐标轴的方向逐个划分block，首先在船模数字模型的船体周围划分出一个长方体block将船体包围，然后在长方体block中构造l-block，勾勒出基本的船体形状，如图2的(a)～(c)所示。
(2.3)划分船首区域block：将船首附近的block进行细化，然后沿着船首轮廓线寻找邻近block的边(edge)与之关联，勾勒出船首拓扑结构；其中，对于圆弧轮廓线处，进行o-block划分，如图3所示。
(2.4)划分船模数字模型的尾部区域block：将船尾的尾封板下方空白区域的block进行细化，然后寻找邻近船尾轮廓线的block，将其边与轮廓线关联；其中，每个block只能位于船体表面的一侧，而不能贯穿船体表面，从而勾勒出尾部区域的拓扑结构；在尾封板轮廓线、桨轴处轮廓线和桨轴上方处轮廓线的位置进行o-block划分，如图4所示。
(2.5)删除船体内部多余的block，得到表征整个计算域的块。将整个计算域几何形状的点、线、面与块的顶(vertex)、边(edge)、面(face)关联，得到最终的计算域拓扑结构，如图5所示。
(2.6)网格节点布置分别定义计算域拓扑结构中各相关边的节点参数，包括节点数、节点分布律；
其中，节点总体分布规律是：由近场到远场，网格分布由密到稀；存在自由面时，自由面处网格加密；以无因次参数y+来表示船体表面第一层网格节点的高度，y+计算公式如下：
式中，y为第一层网格节点距离船体表面的实际高度，l为船长，re为雷诺数。流体计算域的全结构化六面体网格如图9所示。
3、按照步骤(1.2.2)确定的边界条件设定虚拟测量的边界条件，采用基于完全结构化网格的有限体积法，在步骤2划分的六面体网格基础上模拟船模数字模型的带自由面运动和非自由面运动，分别测得船模数字模型的兴波阻力系数和粘性阻力系数。
(3.1)选用rngk-ε两方程湍流模型；梯度的插值采用基于单元体的格林-高斯定理方法(green-gausscell-based)，压力插值采用体积力加权格式(body-force-weightedscheme)，动量、体积分数、湍动能及湍流耗散率插值方法均采用二阶迎风格式(secondorderupwindscheme)；采用压力耦合方程组的半隐式方法进行离散化的控制方程的求解。
(3.2)采用船舶带自由面运动网格(如图10所示)及其数学模型，计算船舶的兴波阻力，如图12所示，为船舶兴波阻力系数计算收敛曲线图。其中，基于理想流体运动微分方程和vof自由面方程构建船模数字模型的自由面运动数学模型，模拟船模数字模型的带自由面运动。
基于理想流体运动微分方程和vof自由面方程构建船模数字模型的自由面运动数学模型如下：
式中，ρ为流体的密度，t为时间，u、v、w分别为x、y和z方向的速度分量，fx、fy、fz分别为x、y和z方向的质量力，p为流体压力，a1、a2分别为空气相、水相的体积分数，
(3.3)采用船舶非自由面运动网格(如图11所示)及其数学模型，计算船舶的粘性阻力，如图13所示，为船舶粘性阻力系数计算收敛曲线图。
其中，采用雷诺平均方程实现船模阻力实验进行的非自由面运动模拟。
基于粘性流体运动基本方程构建船模非自由面运动数学模型如下：
式中，ρ为流体的密度，t为时间，ui和uj为流体的时均速度，ui′和u′j为流体的脉动速度，
4、由兴波阻力系数和粘性阻力系数得到船舶的总阻力系数，以及流场计算域内的流场信息；船舶的总阻力系数为兴波阻力系数与粘性阻力系数之和。
应用后处理软件cfd-post和数据软件excel对计算结果进行整理，将兴波阻力系数加粘性阻力系数得到船舶总阻力系数。
5、对步骤4的流场信息进行流体动力分析，得到船舶自由面波高分布曲线和船舶自由面兴波分布云图；船舶自由面波高分布曲线如图14所示；船舶自由面兴波分布云图如图15所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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