[发明专利]一种用于船舶数值水池的高效兴波方法

权利要求书

1.一种用于船舶数值水池的高效兴波方法，其特征在于，它包括以下步骤：

S1、确定兴波流速公式：根据轨圆运动理论确定船舶流场进口的兴波流速的计算公式：

式中，V表示水质点由于波浪运动产生的速度向量；V_L表示水质点在波浪传播方向的速度分量；V_A表示水质点在波浪传播方向的垂直方向的速度分量；A是波浪的波幅；D是水质点在水下的深度；L是波浪的波长；T表示水质点的运动周期；θ是用于标记水质点在轨圆上的位置；

S2、编程实现流场进口流速时空变化：对兴波流速公式进行坐标化改造，得到表征流场进口流速的时空变化规律的公式：

式中，U_x表示在流场进口的任意一点处，水质点的流速在x轴方向的速度分量，以船艏指向为x轴正方向；U_z表示水质点的流速在z轴方向的速度分量，以重力方向的反向为z轴正方向；U表示船舶航速；A是波浪的波幅；T表示水质点的运动周期；L是波浪的波长；z是水下任意一点的坐标；z₀是水面的z轴坐标；t表示时间；

再通过CFD软件中的二次开发程序将该公式改写成代码形式，然后将该代码进行编译形成可执行程序，并在CFD软件中加载该程序以设定流场的速度进口边界条件；

S3、建立基于水体积分数的组分输运方程：以水的体积分数为变量，根据流体力学理论中的雷诺输运定理，构建水与空气之间的组分输运方程：

式中：ρ_w是水的密度；t是时间；α_w是水的体积分数；u_w是水的流速向量；是水和空气之间的质量输运；是哈密顿算子，表示梯度运算；

S4、求解船舶流场及组分输运方程，包括以下分步：

①采用RANS方程和Realizable k-ε湍流模型方程，作为流场的基本控制方程；

②通过有限体积方法，以二阶迎风格式离散对流项，以一阶显示式格式离散瞬态项，最终得到离散后的流体控制方程；

③在Fluent中，采用步骤S2生成的可执行程序设置流场的进口边界条件，设置流场出口为压力出口边界，设置船舶表面为无滑移壁面边界，流场其他边界设置为滑移壁面边界；

④通过Fluent的SIMPLE算法，以先解流体基本控制方程、后解步骤S3中建立的水和空气的组分输运方程的顺序，采用迭代的方式求得船舶流场的收敛的数值解；

S5、提取波浪面及计算船舶水动力系数：将计算结果导入CFD软件中提取波浪面，并提取船舶表面的流体压力和粘性剪切力，通过数值积分的方式计算船舶水动力值，然后根据相关水动力理论即可计算得到船舶的水动力系数值。

2.根据权利要求1所述的用于船舶数值水池的高效兴波方法，其特征在于，步骤S2中的二次开发程序采用Fluent的DEFINE_PROFILE函数宏以及F_CENTROID和F_PROFILE命令将表征流场进口流速时空变化的公式改写成代码形式，然后将该代码进行编译形成“*.dll”格式的可执行程序，并在Fluent中加载以设定流场的速度进口边界条件。

3.根据权利要求1所述的用于船舶数值水池的高效兴波方法，其特征在于，步骤S3中，为了加快计算速度，采用有限体积方法以一阶显示格式对组分输运方程进行离散，离散之后的组分输运方程如下：

式中：上标n表示当前时间步；上标n-1表示前一时间步；Ω表示有限控制体的体积，即流场网格单元的体积；f表示有限控制体的表面；表示前一时间步的有限控制体表面的流速。

4.根据权利要求1所述的用于船舶数值水池的高效兴波方法，其特征在于，步骤S5中，将步骤S4的计算结果导入到CFD-Post中，通过等值面功能提取水的体积分数为0.01的等值面，该等值面将流体域分为空气和水两部分，可将该等值面视为实际的波浪面。

5.根据权利要求1所述的用于船舶数值水池的高效兴波方法，其特征在于，步骤S5中，船舶水动力值包括水动阻力，水动升力，水动力矩；水动力理论为水动力系数计算公式；船舶的水动力系数值包括阻力系数，升力系数，力矩系数。