船体大幅横摇水动力粘流模拟离散涡方法研究

Ship roll damping estimation is important for accurate estimation of ship roll motion. The distinct feature of roll damping is that the viscous effect is significant and the flow separation and vortex structure can not be modelled properly using classical petential flow theory. Application of unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes method has been used for viscous roll fluid simulation with good progress. But some of the defficiency makes RANS simulation not practical for using in roll damping simulation. Some of which includes time consuming, the dynamic mesh quality near the body surface causing numerical error and instability, small scale vortex structure not easy to be captured by finit size mesh. The discreate vortex method aimed at the solution to the vorticity field, with a focus on the evolution and development of the vorticity filed and show encouraging prospect of simulating unsteady viscous flow with high Re number. . This proposal aims at developing discrete vortex mehthod for rolling hydrodynamic simulation via theoretical analysis, numerical modelling and model test. The research will focus on the following key issues. The viscous fiffusion of the vortex will be studied by using deterministic method. The hydrodynamic pressure in fluid filed will be modelled from NS equation and solved with strict mehtod. The vortex sheet genearation will be determined using boundary condition considering the influence between the vortex sheet. The free surface boudnary condition will be modled with multi level method with consideration of viscous effect. The model test of viscous flow will be performed using PIV technique. Via the above research work, the stable and efficient numerical mehtod based on discrete method will established aiming at simulating the unsteady viscous flow field by roll motions.

船舶横摇阻尼是准确预报横摇运动的关键技术，受粘性影响相当显著，其中的流动分离和旋涡效应用传统势流无法准确预报。当前，采用RANS粘性数值模拟技术取得了很大的进展。但该方法存在着计算耗时，数值模拟中近壁面流体网格质量高度影响计算结果，小尺度的涡旋结构不易捕捉等问题。离散涡方法以涡量为研究对象，侧重于描述分离流中涡量的演化和发展，在高雷诺数非定常流动的数值模拟中显示应用前景。 本课题以发展离散涡方法应用于船体横摇水动力为目标，通过理论分析，数值建模，模型试验相结合方法，研究离散涡方法中离散涡粘性扩散的稳定高效模拟方法，建立离散涡流场中水动压力的准确可靠计算方法，提出离散涡方法中壁面涡量生成的有效数值模型，开展粘性自由面边界条件的多水平模拟方法，分析流体粘性在自由面模拟中的影响，最后开展船舶横摇粘流场的测试分析工作，获得用于模拟船体横摇粘性水动力分析的稳定和高效的离散涡方法。

船舶横摇阻尼是准确预报横摇运动的关键技术，粘性影响显著,流动分离和旋涡效应用传统势流无法准确预报。当前，采用RANS粘性数值模拟技术取得了很大的进展。但该方法存在着计算耗时，近壁面流体网格质量高度影响计算结果，小尺度的涡旋结构不易捕捉等问题。离散涡方法以涡量为研究对象，侧重于描述分离流中涡量的演化和发展，在高雷诺数非定常流动的数值模拟中显示应用前景。. 本课题以发展离散涡方法用于船体横摇阻尼模拟为目标，通过理论分析，数值建模，模型试验相结合方法，开展离散涡方法用于船舶横摇模拟研究。本课题以无界柱体粘性绕流为出发，讨论了水下柱体结构定常和振荡绕流离散涡方法，在此基础上开展了水面柱体强迫横摇离散涡模拟研究，项目研究中建立了离散涡方法壁面涡量生成数值模型，研究了涡量场扩散模拟方法，研究了柱体横摇分离涡与自由面的相互作用。. 本项目中发展了离散涡方法用于柱体横摇的数值模型，自主开发了计算分析程序；项目中开展了箱型驳船强迫横摇精细流场PIV测试研究；另外结合船舶横摇粘流CFD预报进展，基于高性能计算资源开展了船舶横摇阻尼计算策略研究，通过与物理模型试验比较，发展了船舶自由衰减和强迫横摇阻尼计算流程和计算策略；基于CFD技术率先开展了船舶参数激励横摇的数值模拟工作，计算结果获得了物理模型试验验证。. 通过本项目对横摇粘流水动力和运动的系统深入研究，深化了船舶横摇水动力机理研究，为进一步的横摇运动控制和横摇抑制装置优化奠定了良好基础。通过项目研究发表相关论文共计15篇，包含期刊论文9篇，会议论文6篇，其中SCI检索4篇，EI检索3篇。基于横摇阻尼PIV流场测试，获国家发明专利1项，基于项目研究开发的离散涡横摇阻尼模拟和参数激励横摇运动模拟程序，获国家软件注册权登记6项。通过项目研究培养硕士研究生14人，博士研究生1人，项目负责人所开发的船舶斜浪下大幅横摇运动预报程序在某研究所获得应用。