Расчет буксировочного сопротивления ледокольного судна

О проекте

  • Расчет буксировочного сопротивления ледокольного судна
  • АО «ЦНИИМФ»
  • Судостроение
  • 2017 год

Расчет буксировочного сопротивления ледокольного судна

АО ЦНИИМФ – научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота, созданный в 1929 году, – является головной научной организацией Российской Федерации в области морского транспорта. Ведет работы по проектированию судов, развитию технологий перевозки и перегрузки, технико-экономическим исследованиям в области морского флота.

В 2017 году АО ЦНИИМФ обратился к компании «МЦД» для выполнения численного моделирования гидродинамики обтекания корпуса ледокольного судна с целью определения его буксировочного сопротивления.
Моделирование выполнялось в среде пакета Ansys Fluent с подключением модели турбулентности SST и модели многофазности с расчетом свободной поверхности VOF. Сходимость задачи определялась на основе выхода основной интегральной характеристики судна (величины силы буксировочного сопротивления) на установившееся значение, которое просматривалось в процессе счета.

Геометрическая модель корпуса исследуемого судна
Рисунок 1. Геометрическая модель корпуса исследуемого судна

Для определения силы буксировочного сопротивления средствами численного моделирования требовалось 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 (буксировочное сопротивление и её составляющих).

Геометрическая модель корпуса судна была предоставлена Заказчиком в виде листового тела в формате iges. Из листового тела iges была построена твердотельная геометрическая модель. Анализ исходной геометрии показал не симметричное расположение левого и правого борта относительно плоскости симметрии модели. Были произведены операции по корректировке твердотельной геометрической модели и положения плоскости симметрии относительно неё. Наличие в геометрической модели уступов малых размеров негативно сказывается на качестве расчётной сетки при построении, в связи с этим уступы были сглажены.

Подготовленная геометрическая модель половины корпуса судна была преобразована в расчетную область течения, а затем передана в сеточный генератор для построения расчётной сетки.

Расчетная область течения была разделена на две
зоны: зона вокруг корпуса судна и остальное пространство расчётной области (I и II). Для каждой зоны было выполнено разбиение на конечно-объёмную расчётную сетку. В модуле Ansys Meshing, была построена неструктурированная тетраэдральная сетка в зоне I и гексаэдральная – в зоне II. Тетраэдральная сетка вокруг судна была выполнена с пристеночным слоем (всего 24 призматических слоев).

Сеточная область I была преобразована из тетраэдрической расчётной сетки в полиэдрическую.

Расчётная сетка на плоскости симметрии и на корпусе судна: а) вокруг корпуса судна; б) увеличенное изображение в области кормы; в) в области носа судна
Рисунок 2. Расчётная сетка на плоскости симметрии и на корпусе судна: а) вокруг корпуса судна; б) увеличенное изображение в области кормы; в) в области носа судна

Общий размер сгенерированной расчётной сетки составил: примерно 12,4 млн. ячеек до ее преобразования в полиэдральную, 5 млн. ячеек – после преобразования.

Расчет проводился в стационарной постановке методом установления (псевдонестационарная постановка Pseudo Transient) с подключением модели многофазности с расчетом границ свободной поверхности VOF в неявной постановке и подмоделью (Open Chanel Flow). Для моделирования турбулентности была подключена модель SST. Использовалась схема решателя Presure-Based Coupled с опцией Coupled with Volume Fraction. Для расчета свободной поверхности использовалась схема высокой точности BGM.

Обработка и анализ результатов численного моделирования проводились в модуле Ansys Fluent и Ansys CFD-POST.

Высота свободной поверхности на общем виде, где: а) скорость судна 14 узлов; б) скорость судна 16 узлов
Рисунок 3. Высота свободной поверхности на общем виде, где: а) скорость судна 14 узлов; б) скорость судна 16 узлов

Инженерами «МЦД» были рассчитаны и визуализированы распределение давления на подводной части корпуса судна, линии тока и свободная поверхность при скорости движения судна 14 узлов и 16 узлов.

Интегрирование по поверхности судна касательных напряжений и поля давления позволило определить силу буксировочного сопротивления – как сумму сил вязкого трения и волнового сопротивления.

В итоге, в среде программного комплекса Ansys Fluent специалистами «МЦД» было проведено численное моделирование гидродинамики обтекания судна для скорости движения в 14 и 16 узлов, определено значение его буксировочного сопротивления и его составляющие: сила вязкого трения и сила волнового сопротивления.

Получено распределение границы свободной поверхности по высоте корпуса судна, также проведена ее пространственная визуализация.

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

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00