В среде пакета ANSYS FLUENT выполнено численное моделирование гидродинамики обтекания корпуса судна с целью определения его буксировочного сопротивления. В результате расчетов определена сила буксировочного сопротивления и ее составляющие - сила вязкого трения и сила волнового сопротивления.

В практике проектирования судов большое значение имеет получение буксировочных характеристик корпуса в различных условиях эксплуатации. Неточности в расчете буксировочного сопротивления могут привести к недобору скорости на ходовых испытаниях и на приемке судна заказчиком.

Существующие методы оценки ходовых качеств и буксировочного сопротивления судна можно разделить на несколько групп:

1. Упрощенные формулы и графики, связывающие, как правило в виде простых зависимостей, скорость с мощностью и основными характеристиками судна;

2. Методы численной гидродинамики (CFD).

3. Испытания моделей в опытовых бассейнах.

Конструктору малого судна доступны в основном расчетные методы, поскольку затраты на проведение испытаний моделей обычно не укладываются в бюджет проектирования (кроме наиболее ответственных проектов). В настоящей статье продемонстрировано применение численных CFD методов для оценки буксировочного сопротивления корпуса судна в программном продукте ANSYS FLUENT.

Постановка задачи

Для определения силы буксировочного сопротивления средствами численного моделирования требуется выполнение следующих задач:

1. Подготовка твердотельной геометрической модели судна, устранение ошибок геометрии, построение расчетной области течения;
2. Построение расчётной сетки;
3. Постановка задачи, определение настроек разностной схемы и решателя, а также модели расчета свободной поверхности, обеспечивающих устойчивую сходимость задачи и получение корректных результатов;
4. Анализ и обработка результатов расчета. Визуализация свободной поверхности, гидродинамических особенностей течения, определение локальных и интегральных характеристик судна - буксировочного сопротивления и его составляющих.

На подготовительном этапе расчета создана твердотельная геометрическая модель корпуса судна в модуле ANSYS DesignModeler, для последующей генерации сетки. В модуле ANSYS Structural определены моменты инерции корпуса судна - эти данные необходимы для последующего расчета с подключением 6-степенного решателя.  

Вычислительная сетка построена в виде блочной структуры. Расчетная область течения разделена на две зоны: зона вокруг корпуса судна и остальное пространство расчётной области. Для каждой зоны производится разбиение на конечно-объёмную расчётную сетку. В модуле ANSYS Meshing, производится построение неструктурированной тетраэдральной сетки в зоне I, гексаэдральной сетки – в зоне II. Размерность сетки составляет ≈ 1 млн. ячеек.

Движение происходит под воздействием гидродинамических нагрузок со стороны воды. Скорость движения воды 10 м/с ~ 20 узлов. На границах втекания и вытекания сред задается условие открытых границ (Open Channel). На входной границе задается условие на скорость движения сред и уровень свободной поверхности. На выходной границе также задаётся условие на уровень свободной поверхности и полное давление.

На поверхности корпуса судна задано условие стенки, на которой реализуются условия прилипания и непротекания. На остальных границах задано условие стенки без прилипания потока.

Движение судна осуществляется в рамках 2 степеней свободы:

Параметры расчета 

Расчет проводится в стационарной постановке (Steady) методом установления (псевдонестационарная постановка PseudoTransient) с подключением модели многофазности с расчетом границ свободной поверхности VOF в неявной постановке (Implicit) и подмоделью (Open Chanel Flow). Для моделирования турбулентности подключается модель SST. Используется схема решателя Presure-Based Coupled с опцией Coupled with Volume Fraction. Для расчета свободной поверхности используется схема высокой точности BGM, схема дискретизации по пространству имеет второй порядок точности. В процессе счета числа Куранта принимаются равными 30 – 50, коэффициенты релаксации принимаются равными 0,25 – 0,5. Параметр, отвечающий за величину шага по времени (Pseudo Time Step) принимался равным 0,001 – 0,05 с. Большее значение данного параметра приводило к расхождению решения.

Для решения задачи с выходом на режим установления потребовалось около 30000 итераций для каждого расчётного случая. Сходимость задачи оценивалась с помощью мониторинга локальных и интегральных параметров в процессе счета. Так, например, на поверхности судна со стороны границы фаз выбиралась точка, в которой отслеживалось изменение положения по высоте в процессе счета. Аналогичным образом фиксировалось изменение силы буксировочного сопротивления

Корректность полученных результатов в части моделирования турбулентного пограничного слоя (сил вязкого трения) подтверждена на основе сеточной сходимости (независимости решения от измельчения сетки), проведенной в рамках дополнительных исследований. Результаты расчета в части моделирования волнового сопротивления судна также следует считать корректными, поскольку в расчетах положения границ свободной поверхности использовалась модель высокой точности (BGM) и достигнута сходимость задачи.

Результаты моделирования

Обработка и анализ результатов численного моделирования проводится в модуле ANSYS Fluent и ANSYS CFD-POST. Инструментарий программных комплексов позволяет визуализировать свободную поверхность. 

Интегрирование по поверхности судна касательных напряжений и поля давления позволило определить силу буксировочного сопротивления – как сумму сил вязкого трения и волнового сопротивления. Сила сопротивления, действующая на катер со стороны воды Fсопр = 106 кН, из которых 94 кН – составляющая силы давления, 12 кН – составляющая силы трения. Дифферент, определенный по результатам моделирования, составляет θ=2°45′.

Заключение

Разазработана универсальная методика численного моделирования гидродинамики судов в пакете ANSYS Fluent для различных режимов хода (водоизмещающий, переходный, глиссирующий) с учетом свободной поверхности и выхода из стационарного режима под воздействием гидродинамических и массовых сил;

• Определено буксировочное сопротивления судна и дифферент;
• Получено распределение границы свободной поверхности по высоте корпуса судна, также проведена ее пространственная визуализация;
• Подробно исследована гидродинамическая обстановка вокруг судна;
• Выполнен анализ волновой структуры течения;
• Выполнена проверка корректности расчетной модели на основе решения задачи сеточной сходимости.