CFD计算基础课程homework fluent目录一、问题描述 (2)二、建立模型 (3)2.1创建船体附近流域 (3)2.2确定边界条件， (5)三、用fluent进行求解计算 (5)3.1导入并检查网格 (5)3.2设置求解器参数 (6)3.3设置流体属性，选定空气和水 (7)3.4设置基本项和第一相 (7)3.5设置操作环境 (7)3.6设置边界条件 (7)3.7设置求解方法 (8)3.8流场初始化 (8)3.9定义初始空气区域 (9)3.10查看船体的初始湿面积 (9)3.11设置残差监视器以及升、阻力监视器 (9)3.12求解计算 (9)3.13升力报告 (11)3.14计算成果图 (11)四、第一次调整水线 (13)五、根据水线调整进行第二次建模 (14)六、对二次模型进行计算求解 (14)6.1升力报告 (14)6.2计算成果图 (14)6.3计算结果分析 (16)七、第二次调整水线 (16)八、根据水线调整进行第三次建模 (17)九、对三次模型进行求解计算 (17)一、问题描述一艘假想船，设船体高H=2m，船底长L=10m，船艏与水平线夹角α=45º；船头装有a=1m的压浪板，压浪板和水线的夹角为β=30º。
见图1.1。
若船体单位宽度上重为G=mg=17.5*103*9.81kg并以速度V=18km/h=5m/s均速行驶在平静的河水里，试研究此船舶的行驶过程和行驶阻力。
见图1.1分析（1）这应该是一个三维流动问题，为简化计算，采用二维模型。
即假设船体无限宽，忽略船体侧面对流动的影响。
（2）这是一个紊流流动问题，由于船体结构较复杂，必然引起紊流流动。
（3）这是一个气、液两相流问题，船体上部为空气，下部为水。
船舶在航行过程中必然引起水与空气之间的相互作用，并产生波浪。
（4）在仿真计算过程中，气液交界面的变化是一个逐渐趋于稳定状态的过程，故应该采用非稳定的计算方法。
（5）在船舶行驶过程中会对船体产生动升力，必然会引起船体的上下运动，并且影响船体的行驶阻力。
（6）船舶行驶过程中，在铅直方向有水的静浮力F f和动升力F d，由力的平衡可得，二者之和应等于船舶质量G。
假设静浮力F f为船舶质量的60%，即F f=λG,λ=0.6，由于浮力等于船舶排开水的质量，故有λG=ρg(Lℎ+12ℎ2)h=√L2+2λGρg−L=√102+2×0.6×17500×9.81998.2×9.81−10=1.0m得到初始水线为h=1.0m。
假设船舶行驶过程中的静浮力不变，若计算得到船体动升力为F d=(1−λ)G=0.4G，则船舶处于平衡状态，计算结束。
（7）流动区域的设置。
见图1.2a)设水线下水深为L，水下边界为固壁。
b)水线上面流域为2L高，初始为空气。
c)船舶前面流域沿流动方向长为3L。
d)船舶后部流域沿流动方向距离为5L。
e)船舶附近设置一个较小区域，便于对船体附近网格加密，以及改变水线后的建模。
图1.2二、建立模型2.1创建船体附近流域导入关键点，连接各点创建线，将船体和压浪板向下移动1.0m(初始水线为1.0m)，根据线创建面，创建网格，先创建线网格点分布，之后用map创建面网格，创建外围流域点、线、面及网格，网格创建方式类似于内部流域，但为了减少计算量，外围流域按一定比例逐渐变稀，在网格划分过程中我们共尝试采取三种网格布置，第一种网格布置（见图2.1）网格划分过密，计算量过大，计算耗时过长；第二种网格布置（见图2.2）网格划分过稀，计算结果难以收敛；综合各方面因素，最终采取第三种网格布置（见图2.3），既能保证计算精度，又相对耗时较短。
图2.1图2.2图2.32.2确定边界条件，见图2.4图2.4Gambit导出mesh文件命名为ship2d1.msh。
退出并保存session。
三、用fluent进行求解计算3.1导入并检查网格见图3.1图3.13.2设置求解器参数见图3.2、3.3选择VOF两相流计算模型，选择k-epsilon紊流模型。
图3.2 图3.33.3设置流体属性，选定空气和水见图3.4图3.43.4设置基本项和第一相基本相是水（water），第一相是空气（air），见图3.5图3.53.5设置操作环境重力加速度9.81m/s2，方向向下，操作环境密度1.225kg/m3，见图3.6图3.63.6设置边界条件将空气入流（inlet-air）和水入流（inlet-water）的入流速度（velocity-inlet）均设为5m/s，以及流域底部（bottom）的边界条件设为移动墙（moving wall），速度为5m/s。
3.7设置求解方法见图3.7图3.7 3.8流场初始化见图3.8图3.83.9定义初始空气区域见图3.9图3.93.10查看船体的初始湿面积见图3.10图3.10软件默认船体宽为1，所以初始时刻船体的湿面积计算方法：A0=(L+ℎ+√2ℎ)×1=(10+1+√2×1)×1=12.4143.11设置残差监视器以及升、阻力监视器3.12求解计算首先进行500个时间间隔的迭代计算，每个时间间隔为0.001秒，共0.5秒的时间，设置每个时间间隔最多迭代50次。
因为不确定求解至收敛所需时间，所以计算结果不断增加时间间隔数目，最后总共进行了27002个时间间隔的迭代计算（由于第一次计算的残差监视曲线和升、阻力监视曲线的图像忘记保存，这里附图为第二次计算的曲线，两次计算过程的性质类似，残差曲线见图3.11，升力曲线见图3.12，阻力曲线见图3.13）（由于计算量较大，最后时间没有把握好，望老师谅解）图3.11图3.12图3.13 3.13升力报告见图3.14图3.143.14计算成果图a)水气分布云图3.15图3.15 b)压力分布云图3.16图3.16 c)速度分布矢量图3.17图3.17四、第一次调整水线在行驶过程中，船体所受到的力既有水对其的浮力，又有水流和气流对其对其产生的阻力和动升力。
铅直方向受到重力、浮力和动升力的作用达到平衡状态。
最初的静浮力和动升力的比例是根据经验假定而来的，所以需要根据实际情况对水线进行调整。
水线调整的原则是：船体的浮力+动升力=船体的重力F d+F f=G但此时F d+F f=0.6×17.5×103×9.81+46525=149530NG=17.5×103×9.81=171675N∆F=G−(F d+F f)=171675−149530=22145N由于F d+F f<G，必然会使船体有所下降，或水线有所上升。
船体排水体积V p与水线h的关系如下：V p=Lℎ+1 2ℎ2水线h上升∆h将使排水体积增加∆V p，则有∆V p=（L+ℎ）∆h+12（∆ℎ）2如果将相差力∆F的60%转换为浮力的增大，即ρg∆V p=λ∆F=0.6∆F，则∆ℎ=√(L+ℎ)2+2λ∆Fρg−(L+ℎ)=√(10+1)2+2×0.6×22145998.2×9.81−(10+1)=0.122水线应上升0.122m，即水线变成h=1.122m，船体的排水面积增大了∆V p=(L+ℎ)∆h+12(∆ℎ)2=1.349m3所以V p=Lh+12h2+∆V p=11.849水对船体的静浮力ρgV p=116.029KN，另外由于船重171.675KN，故所需要的动升力为F d=G−F f=171.675−116.029=55.646KN若计算结果恰好等于所需的值，则船体处于平衡状态中，计算结束，否则还需要进一步调整。
五、根据水线调整进行第二次建模将空气进口和水进口的交界点提高0.122m，新建的模型如图5.1图5.1六、对二次模型进行计算求解求解方法和过程同第一次类似，这里不再详述，仅介绍计算结果。
6.1升力报告见图6.1图6.16.2计算成果图a)水气分布云图6.2图6.2 b)压力分布云图6.3图6.3c)速度分布矢量图6.4图6.46.3计算结果分析船体动升力F d=41.322KN，比预计少了55.646KN少了14.324KN，还需要进一步调整水线。
七、第二次调整水线此时∆F=G−(F d+F f)=14.324KN∆ℎ=√(L+ℎ)2+2λ∆Fρg−(L+ℎ)=√(10+1.122)2+2×0.6×14324998.2×9.81−(10+1.122)=0.079水线再上升0.079，即水线变为1.201，船体的排水体积变为V p=L(h+∆h)+12(h+∆ℎ)2=12.73m3水对船体的静浮力ρgV p=124.657KN，另外由于船重171.675KN，故所需要的动升力为F d=G−F f=171.675−124.675=47.018KN若计算结果恰好等于所需的值，则船体处于平衡状态中，计算结束，否则还需要进一步调整。
八、根据水线调整进行第三次建模将空气进口和水进口的交界点继续提高0.079 m，新建的模型如图8.1图8.1九、对三次模型进行求解计算求解方法和过程同前两次类似，这里不再详述，仅介绍计算结果。