模型及全尺度雷諾數(shù)下的船體流場(chǎng)計(jì)算

1、船體流場(chǎng)模型及全尺度雷諾數(shù)計(jì)算1簡(jiǎn)介一艘新船的水動(dòng)力特性通常是通過(guò)船模來(lái)預(yù)報(bào)的。這種方法，在反觀按照一比一全 尺度建模和長(zhǎng)時(shí)間的多次全尺度雷諾數(shù)的數(shù)值仿真計(jì)算這系列不合理的途徑下，還是合乎邏輯的。與船模尺度雷諾數(shù)預(yù)報(bào)相關(guān)的問(wèn)題在于實(shí)船與水之間的粘性相互作用效果會(huì) 估計(jì)過(guò)高。只是在今年來(lái)進(jìn)步的計(jì)算水平使對(duì)于實(shí)船粘性流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算變得可能。歐盟 的項(xiàng)目“歐洲全尺度流場(chǎng)試驗(yàn)與技術(shù)（EFFORT對(duì)在船體流場(chǎng)的數(shù)值仿真的可行性作出 了重大貢獻(xiàn)。在這項(xiàng)目中，由不同的RANS方法獲得的一些情況的計(jì)算結(jié)果相互之間進(jìn)行了比較。其中一些結(jié)果在該論文中有描述，它們反映出RANS方法仿真的可行性并注意到船模尺度與

2、實(shí)船尺度雷諾數(shù)下船體流場(chǎng)的不同。在EFFORT®目的工作細(xì)目 4, Mikkola et al中研究的流經(jīng)七種不同船型的流場(chǎng)情況。 其中三種情況是在赫爾辛基科技大學(xué)的船舶實(shí)驗(yàn)室計(jì)算的。這些情況分別是挖泥船Uilenspiegel，試驗(yàn)船“ Nawigator XXI”和集裝箱船漢堡測(cè)試型。 Uilenspiegel的計(jì)算是無(wú) 推進(jìn)器的船模尺度與實(shí)船尺度雷諾數(shù)情況下進(jìn)行的。而關(guān)于“Nawigator XXI”的計(jì)算包括船模尺度和實(shí)船尺度情況下有推進(jìn)器和無(wú)推進(jìn)器兩種狀態(tài)下進(jìn)行的。對(duì)于漢堡測(cè)試型周圍的流場(chǎng)則是在船模尺度下無(wú)推進(jìn)器和實(shí)船尺度下有推進(jìn)器兩種情況下計(jì)算的。2關(guān)于 EFFORTEF

3、FORT十劃主要是關(guān)于全尺度下船舶的粘性流場(chǎng)，由不同RANS方法計(jì)算的可行性。這個(gè)計(jì)劃由六項(xiàng)不同的工作組組成。它們分別是：工作組1,全尺度測(cè)量（兩艘船）；工作組2，模型測(cè)試（兩艘船）；工作組3, CFD改進(jìn)；工作組4,驗(yàn)證并確定；工作組 5,應(yīng)用與展示；工作組 6，合理配位。工作組1和2為工作組4生成既定數(shù)據(jù)。在工作組3中，編碼被更新至近似于能應(yīng)用 于工作組4中基本工作的水平。工作組4主要是對(duì)用于計(jì)算船舶周圍流場(chǎng)的不同方法準(zhǔn) 確性，可行性和有效性的評(píng)估。了解了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)后， 在工作組5中會(huì)擇優(yōu)運(yùn)用。 在工作組5中，所選方法會(huì)應(yīng)用于來(lái)自建船方項(xiàng)目的案例。在工作組4中，給定船根據(jù)模型尺度和全

4、尺度下的每個(gè)已知編碼計(jì)算。在給定時(shí)間 里，幾何特征和表面物理現(xiàn)象都千差萬(wàn)別。另外，編碼數(shù)據(jù)在不同情況下仍有差異，故可采用不同的計(jì)算方法。同時(shí)，每種方法都有各自的局限性。這樣，就得考慮適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和實(shí)用性了。工作組4中多數(shù)全尺度仿真都是盲測(cè)的，也即是在未知實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情況下進(jìn)行的。 因此，針對(duì)這些情況的已測(cè)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果之間的比較預(yù)報(bào)了對(duì)于可仿真情況下所 采用方法的完備性。 與此同時(shí)，不同編碼得出的結(jié)果之間也會(huì)進(jìn)行比較，以估計(jì)不同建模方法，物理學(xué)和幾何學(xué)層面上對(duì)最終結(jié)果的影響。3數(shù)值方法作用在艙室上的力可由下式算得：dT = T e_rd_dr ,在各個(gè)艙室，力作用于剩余部分和力矩以及加速螺旋槳

5、葉片后流場(chǎng)的總能量的來(lái)源處。 只有沿垂直于螺旋槳面方向的加速度才予以考慮。4計(jì)算4.1漢堡測(cè)試型此艘集裝箱船周圍的流場(chǎng)在船模和全尺度兩種情況下計(jì)算。算出兩者相關(guān)的雷諾數(shù)分別為Rn=1.0*107和Rn=1.2*109,付汝德數(shù)是 Fn=0.238。模型尺度是1/24。每次仿真計(jì)算 都三次用到不同的網(wǎng)格以估計(jì)其對(duì)結(jié)果的影響。結(jié)果是將一個(gè)較粗的網(wǎng)格作為初始值賦 給其相鄰的較細(xì)網(wǎng)格得到的。而較粗網(wǎng)格又都是通過(guò)將八個(gè)艙室合成一個(gè)后，由較細(xì)網(wǎng) 格得到的。4.2Nawigator該船周圍的流場(chǎng)在船模和全尺度兩種情況下計(jì)算。算出兩者相關(guān)的雷諾數(shù)分別為Rn=7.328*10 6和Rn=2.234*10 8,付

6、汝德數(shù)是 Fn=0.221。模型尺度是1/10。同理，中等粗 細(xì)的網(wǎng)格也是由八個(gè)艙室合成一個(gè)后，再有細(xì)網(wǎng)格得來(lái)的；而粗網(wǎng)格則是由中等粗細(xì)的 網(wǎng)格整合而來(lái)的。5. 結(jié)果5.1漢堡測(cè)試型5.1.1阻力由ITTC1957船模-實(shí)船關(guān)系式Wo =（隔屜-2尸計(jì)算船模和實(shí)船尺度下的摩擦阻力系數(shù)并進(jìn)行比較估計(jì)。計(jì)算得的壓差阻力系數(shù)和剩 余阻力系數(shù)之間進(jìn)行了比較，包括船模實(shí)驗(yàn)測(cè)得的總阻力系數(shù)和由ITTC1957公式算得的摩擦阻力系數(shù)之間的差別。結(jié)果假定船模和實(shí)船的剩余阻力系數(shù)是一樣的。而實(shí)際的阻力系數(shù)，壓差阻力系數(shù)和摩擦阻力系數(shù)都比實(shí)驗(yàn)和計(jì)算估計(jì)的要小。5.1.2波形通過(guò)比較波形和圖譜來(lái)研究網(wǎng)格法對(duì)自由液面

7、評(píng)估的影響。在模型尺度下，5.1.3尾流5.1.4船體表面流線實(shí)船和船模顯示出的尾部表面流線有著明顯的區(qū)別，在船模尾部，有著很強(qiáng)的舭渦而 實(shí)船尾部表面的流場(chǎng)則隨船體型線分布。5.2NawigatorXXI5.2.1阻力5.2.2尾流由計(jì)算表明，較細(xì)網(wǎng)格會(huì)引起從槳右側(cè)的穀到船體彎曲處較大的減速度。螺旋槳的加 速效應(yīng)由結(jié)果可明顯得到。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)得和計(jì)算得到的尾流表現(xiàn)出明顯的彎曲狀。因此，當(dāng)觀測(cè)尾流對(duì)螺旋槳的加速效應(yīng)時(shí)，很有必要通過(guò)應(yīng)用紊流模型來(lái)再現(xiàn)這種彎曲狀。6. 結(jié)論在模型與全尺度，有槳無(wú)槳的情況下，船體流場(chǎng)的計(jì)算的結(jié)果如述。這些結(jié)果表明 雷諾數(shù)有著重大的影響， 同時(shí)也表明了我們需要對(duì)網(wǎng)格加以注意， 從而獲取無(wú)網(wǎng)格方案。 尤其是壓力預(yù)報(bào)對(duì)于網(wǎng)格法很敏感。漢堡測(cè)試型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明壓差阻力系數(shù)很大程度受雷諾數(shù)影響。摩擦阻力系數(shù)則嚴(yán)格服從ITTC-57模型-船關(guān)系曲線。尾流計(jì)算顯示，邊界層的厚度在全尺度雷諾數(shù)下要 更厚一些。 船尾處的流線服從于