螺旋桨敞水的重叠网格cfd仿真研究【字数：12685】
摘 要船舶的推进装置是螺旋桨，它对于船舶在水中的行驶有着重要的影响，也对于船舶的发展有着重要作用。为测定螺旋桨的性能与指数，我们对敞水时的螺旋桨做了CFD重叠网格仿真研究。虽然经过了十几年的发展，但是对于船舶流体力学的计算仍有许多问题需要解决。比如传统网格在计算的局限性，导致了在计算船舶推进性、动力稳定性和机动性问题上特别的困难。在运用自带的网格处理船舶运动时，会担心船舶的运动较为复杂，导致网格变形发散。在万德成教授等人的实验中，运用了重叠网格对船舶运动进行了模拟，发现实验结果与初始数据达成一致，故得出重叠网格可以运用在复杂运动的物体计算。由于螺旋桨的运动也是较为复杂的，不能运用一般的网格技术进行计算，所以在本文中我们也采取了重叠网格技术进行计算。针对螺旋桨的水动力性能，采用CFD数值模拟技术及OPENFOA软件进行仿真研究，本毕设论文使用的OpenFOAM版本是OpenFOAM-1806。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2课题研究的目的和意义 2
1.3计算船舶水动力学的研究综述 3
1.3.1国外研究综述 3
1.3.2国内研究综述 4
1.4重叠网格技术的发展 5
第二章 数值求解器基本框架搭建 8
2.1 Linux系统的介绍与安装 8
2.2 OpenFOAM的介绍与安装 9
2.3 OpenFOAM计算的基本流程 9
第三章 重叠网格技术的研究 10
3.1 重叠网格基本概念 10
3.2 重叠网格插值关系的建立 12
3.3 动态重叠网格在OpenFOAM中的实现 13
第四章 算例 15
4.1 螺旋桨算例 15
4.1.1 螺旋桨参数介绍 15
4.1.2 螺旋桨敞水时的重叠网格 16
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1引言
随着人们探索区域的逐渐扩大，海洋得到了人们的重视。在探索海洋时，人们用到最多的交通工具是船。最初的人们使用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
的是人工划船，后来运用了风的能力，再到现在，现在运用的比较多的是螺旋桨。因为螺旋桨的结构不复杂，操作比较简单，效率也比较高。而被人们广泛运用。但是运用螺旋桨的船舶会产生较大的噪声，而且螺旋桨有空泡特性，一旦使用不当便会损伤螺旋桨。无论是出于经济还是安全的考虑，世界的研究人员开始重视螺旋桨的研究了。
在研究螺旋桨之前需要先研究它的载体，船舶的流体力学。随着科学和数学技术的发展，船舶流体力学可以用软件计算。由ESI集团旗下的OPENCFD子公司发行的OpenFOAM是最受欢迎的CFD开源软件之一。OpenFOAM作为计算流体力学的开源软件，拥有良好的弯曲度和应用前景。虽然经过了十几年的发展，但是对于船舶流体力学的计算仍有许多问题需要解决。比如传统网格在计算的局限性，导致了在计算船舶推进性、动力稳定性和机动性问题上特别的困难。在运用自带的网格处理船舶运动时，会担心船舶的运动较为复杂，导致网格变形发散。在万德成教授等人的实验中，运用了重叠网格对船舶运动进行了模拟，发现实验结果与初始数据达成一致，故得出重叠网格可以运用在复杂运动的物体计算。由于螺旋桨的运动也是较为复杂的，不能运用一般的网格技术进行计算，所以在本文中我们也采取了重叠网格技术进行计算。
本文采用流体动力学数值模拟技术对螺旋桨敞水时的特点进行研究。运用OpenFOAM软件研究了螺旋桨的敞水特点、噪音和不确定性分析等等。这项研究有更大的价值。
1.2课题研究的目的和意义
随着计算机技术的发展和数值方法的发展，计算流体力学在最近三十年的发展中取得了突飞猛进的进步，并且在多个行业中得到了很多的应用。在船舶工程领域，CFD的发展已经超出了人们的预期。研究人员通过CFD的协助，更加透彻的研究了粘性流场，并深入分析其物理现象及取得更高的计算精度。与无粘性流场相比，CFD方法更加接近流体真实流动的模型，计算的数据更加真实。这种方法可以解决许多船舶运动的问题。运用CFD方法可以知道船舶在流场中的位置，可以让研究人员更加了解船舶运动和船舶流动原理。CFD的结果还可以给实验提供其他的信息，比如可以为下一次实验减少流程、成本等。然而，在实际运用中，情况更为复杂。大部分情况平台都是活动的，所以要求的计算处理能力更高。在遇到有螺旋桨时，需要注意边界运动，恰恰是边界运动的复杂，体现了CFD计算的重要。
现在被广泛应用的CFD方法为，有网格法和无网格粒子法。有网格法发展几十年了，对于数值计算更加稳定和精确，所以被广泛应用在工程中。有网格法也有许多问题，最突出的就是在动网格的处理能力方面。船舶在海上航行时，受六个自由度的运动，以及波浪的推动，船体的运动可谓没有规律可言。况且船舶在航行时还需要桨和舵的配合，这两者之间的相互影响还是很大的。所以要想研究船体流动的问题，需要先解决网格的问题。对于常用的传统网格来说，很难满足研究复杂船体运动的要求。现在比较流行的动网格方法是变形网格法，但是这种方法也比较适用于小范围运动的物体。只要范围变大就会导致网格变形、扭曲，从而发散。所以，变形网格也不能处理大幅度运动的物体。第二个动网格法是，滑移网格。滑移网格方法可处理通过平移或绕轴旋转等网格运动。滑移网格方法经常用于船桨配合等的问题，但此种方法只可用于简单的少量的自由度运动。滑动网格方法较多的应用在船舶固定等的情况。对于船体后方布局紧凑时，螺旋桨的流场是不能够用滑移网格计算的。在当下的研究中，采用了变形网格和滑移网格结合的方式。
虽然传统网格方法不能处理这类问题，但是重叠网格方法可以处理这种问题。重叠网格方法就是把模型中的每个部分单独划分网格，然后再套另一个网格中。在网格中有相同的部分。在除掉相同的部分后，通过网格重叠区域互相插值，从而每套网格能进行数据交换，便于完成求解。在船舶动力学计算方面，重叠网格能处理复杂的几何形状，比如螺旋桨、舵等等。
在处理动态问题中，重叠网格方法可以解除物体跟网格之间的关联，使每个物体都可以自由的运动，从而不被网格影响。因为这个特性，重叠网格方法可以模拟大幅度运动。还能够让船体的单个部件独立的运动。由于这些特点，重叠网格有了突破性的进展。这些优点，填补了传统网格的缺点，让船舶可以大幅运动。在重叠网格的发展下，突破了许多瓶颈。实现了许多之前不能实现的、无法计算的问题。由此看来，重叠网格技术拥有广泛的技术前景。不单单在船舶动力学中可以应用，还可以在航空航天等方面应用。为后面广泛的应用，奠定了厚实的基础。
总而言之，研究重叠网格技术是非常重要的。尤其在船舶动力学方面。一旦研究成功，对于动网格技术在复杂物体的计算上能有很大的提高。从另一方面也是推动了CFD方法在其他方面的应用。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2课题研究的目的和意义 2
1.3计算船舶水动力学的研究综述 3
1.3.1国外研究综述 3
1.3.2国内研究综述 4
1.4重叠网格技术的发展 5
第二章 数值求解器基本框架搭建 8
2.1 Linux系统的介绍与安装 8
2.2 OpenFOAM的介绍与安装 9
2.3 OpenFOAM计算的基本流程 9
第三章 重叠网格技术的研究 10
3.1 重叠网格基本概念 10
3.2 重叠网格插值关系的建立 12
3.3 动态重叠网格在OpenFOAM中的实现 13
第四章 算例 15
4.1 螺旋桨算例 15
4.1.1 螺旋桨参数介绍 15
4.1.2 螺旋桨敞水时的重叠网格 16
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1引言
随着人们探索区域的逐渐扩大，海洋得到了人们的重视。在探索海洋时，人们用到最多的交通工具是船。最初的人们使用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
的是人工划船，后来运用了风的能力，再到现在，现在运用的比较多的是螺旋桨。因为螺旋桨的结构不复杂，操作比较简单，效率也比较高。而被人们广泛运用。但是运用螺旋桨的船舶会产生较大的噪声，而且螺旋桨有空泡特性，一旦使用不当便会损伤螺旋桨。无论是出于经济还是安全的考虑，世界的研究人员开始重视螺旋桨的研究了。
在研究螺旋桨之前需要先研究它的载体，船舶的流体力学。随着科学和数学技术的发展，船舶流体力学可以用软件计算。由ESI集团旗下的OPENCFD子公司发行的OpenFOAM是最受欢迎的CFD开源软件之一。OpenFOAM作为计算流体力学的开源软件，拥有良好的弯曲度和应用前景。虽然经过了十几年的发展，但是对于船舶流体力学的计算仍有许多问题需要解决。比如传统网格在计算的局限性，导致了在计算船舶推进性、动力稳定性和机动性问题上特别的困难。在运用自带的网格处理船舶运动时，会担心船舶的运动较为复杂，导致网格变形发散。在万德成教授等人的实验中，运用了重叠网格对船舶运动进行了模拟，发现实验结果与初始数据达成一致，故得出重叠网格可以运用在复杂运动的物体计算。由于螺旋桨的运动也是较为复杂的，不能运用一般的网格技术进行计算，所以在本文中我们也采取了重叠网格技术进行计算。
本文采用流体动力学数值模拟技术对螺旋桨敞水时的特点进行研究。运用OpenFOAM软件研究了螺旋桨的敞水特点、噪音和不确定性分析等等。这项研究有更大的价值。
1.2课题研究的目的和意义
随着计算机技术的发展和数值方法的发展，计算流体力学在最近三十年的发展中取得了突飞猛进的进步，并且在多个行业中得到了很多的应用。在船舶工程领域，CFD的发展已经超出了人们的预期。研究人员通过CFD的协助，更加透彻的研究了粘性流场，并深入分析其物理现象及取得更高的计算精度。与无粘性流场相比，CFD方法更加接近流体真实流动的模型，计算的数据更加真实。这种方法可以解决许多船舶运动的问题。运用CFD方法可以知道船舶在流场中的位置，可以让研究人员更加了解船舶运动和船舶流动原理。CFD的结果还可以给实验提供其他的信息，比如可以为下一次实验减少流程、成本等。然而，在实际运用中，情况更为复杂。大部分情况平台都是活动的，所以要求的计算处理能力更高。在遇到有螺旋桨时，需要注意边界运动，恰恰是边界运动的复杂，体现了CFD计算的重要。
现在被广泛应用的CFD方法为，有网格法和无网格粒子法。有网格法发展几十年了，对于数值计算更加稳定和精确，所以被广泛应用在工程中。有网格法也有许多问题，最突出的就是在动网格的处理能力方面。船舶在海上航行时，受六个自由度的运动，以及波浪的推动，船体的运动可谓没有规律可言。况且船舶在航行时还需要桨和舵的配合，这两者之间的相互影响还是很大的。所以要想研究船体流动的问题，需要先解决网格的问题。对于常用的传统网格来说，很难满足研究复杂船体运动的要求。现在比较流行的动网格方法是变形网格法，但是这种方法也比较适用于小范围运动的物体。只要范围变大就会导致网格变形、扭曲，从而发散。所以，变形网格也不能处理大幅度运动的物体。第二个动网格法是，滑移网格。滑移网格方法可处理通过平移或绕轴旋转等网格运动。滑移网格方法经常用于船桨配合等的问题，但此种方法只可用于简单的少量的自由度运动。滑动网格方法较多的应用在船舶固定等的情况。对于船体后方布局紧凑时，螺旋桨的流场是不能够用滑移网格计算的。在当下的研究中，采用了变形网格和滑移网格结合的方式。
虽然传统网格方法不能处理这类问题，但是重叠网格方法可以处理这种问题。重叠网格方法就是把模型中的每个部分单独划分网格，然后再套另一个网格中。在网格中有相同的部分。在除掉相同的部分后，通过网格重叠区域互相插值，从而每套网格能进行数据交换，便于完成求解。在船舶动力学计算方面，重叠网格能处理复杂的几何形状，比如螺旋桨、舵等等。
在处理动态问题中，重叠网格方法可以解除物体跟网格之间的关联，使每个物体都可以自由的运动，从而不被网格影响。因为这个特性，重叠网格方法可以模拟大幅度运动。还能够让船体的单个部件独立的运动。由于这些特点，重叠网格有了突破性的进展。这些优点，填补了传统网格的缺点，让船舶可以大幅运动。在重叠网格的发展下，突破了许多瓶颈。实现了许多之前不能实现的、无法计算的问题。由此看来，重叠网格技术拥有广泛的技术前景。不单单在船舶动力学中可以应用，还可以在航空航天等方面应用。为后面广泛的应用，奠定了厚实的基础。
总而言之，研究重叠网格技术是非常重要的。尤其在船舶动力学方面。一旦研究成功，对于动网格技术在复杂物体的计算上能有很大的提高。从另一方面也是推动了CFD方法在其他方面的应用。
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