Ανάπτυξη υβριδικής μεθόδου υπολογισμού της αντίστασης των πλοίων σε ήρεμο νερό

Abstract

Στην παρούσα εργασία περιγράφεται μία υβριδική μέθοδος υπολογιστικής ρευστομηχανικής για την πρόβλεψη της υδροδυναμικής αντίστασης συμβατικών μορφών πλοίων. Η μέθοδος συνδυάζει έναν κώδικα δυναμικής ροής με ένα κώδικα συνεκτικού ρευστού. Η επίλυση του προβλήματος δυναμικής ροής επιτυγχάνεται μέσω τετράπλευρων στοιχείων (panels) πάνω στην γάστρα και στην πραγματική ελεύθερη επιφάνεια, ενώ η σύγκλιση της μεθόδου βασίζεται σε μία επαναληπτική διαδικασία. Ο κώδικάς πραγματικής ροής επιλύει τις εξισώσεις Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) κάτω από την ελεύθερη επιφάνεια που έχει υπολογισθεί από την δυναμική ροή, και σε περιορισμένο χωρίο γύρω το πλοίο. Για να επιτευχθεί αυτό γίνεται διάσπαση του χωρίου σε τρείς περιοχές (3 blocks) και χρήση καμπυλόγραμμων συντεταγμένων. Τα πλέγματα κατασκευάζονται μέσω του σύμμορφου μετασχηματισμού. Για τον έλεγχο της μεθόδου έγιναν πειράματα σε έναν αριθμό μοντέλων στην πειραματική δεξαμενή του Εργαστηρίου Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής του ΕΜΠ. Επιπλέον δίδονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών τόσο σε κλίμακα μοντέλου, όσο και σε πλήρη κλίμακα, και μια προσπάθεια αξιολόγησης των εμπειρικών μεθόδων προεκβολής των πειραματικών μετρήσεων.

An integrated Computation Fluid Dynamics method is described for predicting the total hydrodynamic resistance at model as well as at full scale of conventional ship forms. The method combines a non-linear potential with a viscous flow solution of the Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) equations.The potential solution is achieved by covering the hull and the free surface with quadrilateral ellements while convergence is based on an iterative procedure. A 3-block decomposition is introduced to solve the RANS equations underneath the free-surface calculated from potential flow. The RANS equations are solved in curvilinear co-ordinates at a restricted area around the ship. For effective grid generation, a conformal mapping technique has been used. To validate the method, experiments have been carried out for large number of models at the towing tank of Laboratory of Ship and Marine Hydrodynamics in NTUA. Computed resistance coefficients for both the models and full scale ships are also compared in order to evaluate the fundamental principles of empirical extrapolation methods.