Проекты

Расчет буксировочного сопротивления судна

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.
Параметры рассмотренного судна (катера)

Центр масс, м

X 1,95
Y 8
Z 0
Водоизмещение, т 67
Ватерлиния, м 1,35

 

геометрия судна 

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.

зоны расчетной области

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.

схема граничных условий

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:

- Вертикальное перемещение по оси Z
- Поворот вокруг оси Y
подвижная сетка

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

давление

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

сечение

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.

 

Связанные новости
Сотрудники АО «ЦИФРА» приняли участие в расширенном заседании НТК АО «Газпром диагностика» по теме «Использование моделирования на основе метода конечных элементов (МКЭ) при проведении экспертизы промышленной безопасности линейной части магистральных газопроводов и шлейфов компрессорных станций».

18 июля Экспертный совет по аттестации программных средств при Ростехнадзоре принял решение включить АО «ЦИФРА» в перечень организаций-пользователей SCAD Office. Лицензия SCAD Office № 18320 и решение Ростехнадзора размещены в разделе Программное обеспечение.

Связанные публикации в блоге
В ракетно-космической отрасли наибольшее распространение получили двигатели на жидком и твёрдом ракетном топливе. Среди преимуществ твердотопливных ракетных двигателей можно отметить как длительный срок хранения топлива, так и относительную простоту конструкции и дешевизну самих двигателей, что обуславливает их широкое применение в этой отрасли. Одним из важнейших процессов в камере сгорания ракетного двигателя является процесс горения твёрдого топлива, так как он определяет газоприход в двигателе и, следовательно, его секундный массовый расход и развиваемую тягу.
Основной эксплуатационной характеристикой судна, определяющей возможности работы судна в ледовых условиях, является его ледовый класс. В прошлом каждое классификационное общество имело свою уникальную систему классификации судов ледового плавания, и, как следствие – свои нормативные требования к таким судам, однако в начале 2000-х годов Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) была проведена работа по унификации этих требований, результатом которой стало введение двух систем классификации судов ледового плавания: системы балтийских ледовых классов (для плавания в Балтийском море и схожих по ледовым условиям морях) и системы полярных классов (для плавания в полярных водах), при этом требования каждого классификационного общества-члена МАКО остались в силе. Со вступлением в силу в 2017 году Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса) особенно актуальным стал вопрос присвоения судну полярного класса. Несмотря на то, что МАКО была определена приблизительная эквивалентность ледовых классов различных систем классификации (см. рис. 1), на практике для получения полярного класса необходимо подтверждение соответствия судна требованиям IACS UR I – requirements concerning Polar Class. Эти требования разделяются на корпус и механические установки. Рассмотрим пример выполнения анализа соответствия механических установок судна полярному классу.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.