肥大型船伴流場(chǎng)網(wǎng)格劃分方法的比較與分析

肥大型船伴流場(chǎng)網(wǎng)格劃分方法的比較與分析

在使用fd方法求解流場(chǎng)時(shí)，首先需要對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分散，即網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格是研究對(duì)象的幾何表達(dá)形式，也是數(shù)值模擬和分析的載體。此外，網(wǎng)格分離的質(zhì)量直接影響到計(jì)算的可行性、容忍度、計(jì)算的精度、計(jì)算效率，甚至計(jì)算的成敗。如何生成高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格已成為當(dāng)前ifd應(yīng)用的一個(gè)重要課題。在目前發(fā)表的論文中，網(wǎng)格分離有幾種方法，主要包括單個(gè)網(wǎng)格、多個(gè)網(wǎng)格和非海戰(zhàn)網(wǎng)格，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，到目前為止，還沒(méi)有關(guān)于網(wǎng)格分割的文章具體討論了不同網(wǎng)格劃分方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，以及適應(yīng)特定船型的成熟網(wǎng)格劃分方法。該文以某肥大型散貨船為例,較為詳細(xì)地探討了適合肥大型船的網(wǎng)格劃分方法,同時(shí)研究了不同的網(wǎng)格劃分方式對(duì)計(jì)算結(jié)果所造成的不同影響.為此,采用了一種適應(yīng)性更強(qiáng)的多重網(wǎng)格劃分方式.1船受參數(shù)設(shè)置以某散貨船為研究對(duì)象.實(shí)船船長(zhǎng)283.4m,船寬45m,吃水16.5m,方型系數(shù)0.82,模型的縮尺比為1/38.18.船體艉部外形如圖1所示.由于船體關(guān)于中線面對(duì)稱,并且數(shù)值計(jì)算的主要目的是獲得船后螺旋槳槳盤面處的伴流分布,因此利用粘性流場(chǎng)的對(duì)稱性,所建計(jì)算模型采用疊模法,只考慮半個(gè)船體的流場(chǎng).該計(jì)算域從船艏向前延伸1個(gè)船長(zhǎng),從船尾向后延伸4個(gè)船長(zhǎng),沿寬度方向延伸5個(gè)半寬,深度方向延伸7個(gè)吃水.計(jì)算模型在前處理軟件GAMBIT中生成.2網(wǎng)格的分段方法和比較2.1網(wǎng)格劃分方式劃分網(wǎng)格首先要考慮兩個(gè)問(wèn)題,也就是網(wǎng)格尺度和網(wǎng)格數(shù)量問(wèn)題.對(duì)于網(wǎng)格數(shù)量問(wèn)題,應(yīng)該以能否得到滿足精度要求的計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn).Tzabiras指出:在網(wǎng)格尺度達(dá)到某一下限值之后,解對(duì)網(wǎng)格精度的變化不再敏感,網(wǎng)格精度提高50%,其計(jì)算結(jié)果變化很小.為控制網(wǎng)格數(shù)量,同時(shí)使計(jì)算域中流體流動(dòng)受船體幾何外形影響較大的區(qū)域有足夠分辨率的網(wǎng)格,需要將計(jì)算域分塊.在實(shí)際計(jì)算中,經(jīng)多次嘗試發(fā)現(xiàn),流體流動(dòng)受船體幾何外形影響較大的區(qū)域分布在離船體表面大概半個(gè)船寬的距離內(nèi),如圖2所示.據(jù)此可將計(jì)算域分為船體近流場(chǎng)控制域和遠(yuǎn)流場(chǎng)控制域,其中近流場(chǎng)控制域以設(shè)計(jì)水線面、中線面和中站面為基準(zhǔn),向外延伸半個(gè)船寬的距離,生成一個(gè)長(zhǎng)方體,剩余部分為遠(yuǎn)流場(chǎng)控制域,其分塊方式如圖3所示.在近流場(chǎng)控制域,最小和最大網(wǎng)格尺度可分別取螺旋槳直徑的0.02倍和0.25倍.遠(yuǎn)流場(chǎng)控制域網(wǎng)格則以近流場(chǎng)控制域外表面網(wǎng)格為基礎(chǔ),并以1.2倍的增長(zhǎng)比例外推生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,整個(gè)流場(chǎng)網(wǎng)格劃分如圖4所示.2.2網(wǎng)格劃分及計(jì)算結(jié)果船體表面網(wǎng)格的尺度大小對(duì)網(wǎng)格總數(shù)起決定作用.較小尺度的網(wǎng)格能準(zhǔn)確反映船體表面曲率的變化,精確地捕捉到由于曲率變化而產(chǎn)生的流動(dòng)細(xì)節(jié),當(dāng)然網(wǎng)格數(shù)也成倍增加.較大尺度的網(wǎng)格雖然可以極大地降低網(wǎng)格數(shù),但是在船體表面曲率較大的地方卻不能反映出相應(yīng)的流動(dòng)細(xì)節(jié).而數(shù)值模擬的目的就是為了準(zhǔn)確地捕捉到一些具體的流動(dòng)細(xì)節(jié),因此有必要探討舭部不同的網(wǎng)格劃分方式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.肥大型船的特點(diǎn)是船體艏尾曲率大,船舯附近曲率小,近似為圓角矩形,為了比較船體表面網(wǎng)格尤其是舭部網(wǎng)格劃分方法的不同對(duì)尾流場(chǎng)的影響,這里給出了2種典型的劃分方式.這2種方式都以螺旋槳軸包套為基準(zhǔn)向船艏方向進(jìn)行網(wǎng)格加密,軸包套處網(wǎng)格尺度取0.2m,船尾和船艏曲率較大的地方網(wǎng)格尺度取0.3m,唯一不同之處是對(duì)船體舭部網(wǎng)格的處理.第1種方式忽略舭部曲率大的特點(diǎn),將其和船舯一樣處理,網(wǎng)格尺度均取0.8m,劃分的網(wǎng)格及相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示;第2種方式將舭部網(wǎng)格尺度取為0.3m,且隨著曲率變小,網(wǎng)格尺度逐漸增加到0.8m,劃分的網(wǎng)格及相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示.從圖中可以看出,船體表面網(wǎng)格的疏密對(duì)計(jì)算結(jié)果有著極大的影響.2.3網(wǎng)格加密方式的確定顯然,對(duì)于肥大型船,舭渦的預(yù)報(bào)相當(dāng)重要,而反映到槳盤面處,則是該處的伴流分?jǐn)?shù),因此,如果要捕捉到該處的流動(dòng)細(xì)節(jié),槳盤面處必須要有足夠的網(wǎng)格分辨率,使用ICEMCFD生成網(wǎng)格時(shí),可以通過(guò)局部加密網(wǎng)格來(lái)實(shí)現(xiàn).加密網(wǎng)格必然會(huì)使整個(gè)流場(chǎng)網(wǎng)格數(shù)量增加,如何既能保證局部網(wǎng)格的分辨率,使數(shù)值模擬成功進(jìn)行,又能使網(wǎng)格增加的數(shù)量控制在計(jì)算機(jī)可接受的范圍內(nèi),成為研究人員必須解決的一個(gè)問(wèn)題.該文對(duì)此做了初步研究,比較了2種典型的加密方式.第1種是以槳盤面為基準(zhǔn),沿徑向1.5倍螺旋槳直徑,沿軸向1倍螺旋槳直徑形成一個(gè)橢球型的加密區(qū)域,其網(wǎng)格形式及相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示.第2種方式是以槳盤面為基準(zhǔn),沿徑向1.5倍螺旋槳直徑,沿軸向向下游延伸1倍螺旋槳直徑、向上游延伸4倍螺旋槳直徑,形成一個(gè)圓柱型的加密區(qū)域,其最終的網(wǎng)格形式及相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如圖11、12所示.比較兩者的計(jì)算結(jié)果,可以看到,第2種網(wǎng)格加密方式成功地捕捉到了肥大型船槳盤面處所特有伴流特征——“島”狀或者“兔耳”狀的伴流分?jǐn)?shù)等值線.2.4網(wǎng)格劃分方式的確定對(duì)于數(shù)值模擬,近壁區(qū)域網(wǎng)格的質(zhì)量是湍流模型能否恰當(dāng)?shù)厍蠼馔牧鬟吔鐚拥年P(guān)鍵.判斷湍流邊界層區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量的好壞有2個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn).第1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最小距離,其中離開(kāi)壁面的第1個(gè)節(jié)點(diǎn)與壁面之間的距離最為關(guān)鍵,它是以y+值來(lái)體現(xiàn)的,對(duì)于高雷諾數(shù),其值在10～150范圍內(nèi)是合理的;第2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是邊界層內(nèi)的最少節(jié)點(diǎn)數(shù),即有幾層這樣的網(wǎng)格.為探討近壁區(qū)域網(wǎng)格劃分方式對(duì)尾部伴流場(chǎng)模擬的影響,論文討論了5種網(wǎng)格劃分方式.第1種方式完全不考慮邊界層對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的要求;第2種至第5種方式均取離開(kāi)壁面的第1個(gè)節(jié)點(diǎn)到壁面距離為3.5×10-4個(gè)船長(zhǎng),即0.1m左右,并以此為基礎(chǔ)生成邊界層網(wǎng)格,且邊界層內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為1、3、5、7.將這5種網(wǎng)格劃分方式所得計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值相比較則發(fā)現(xiàn),第1種方式在預(yù)報(bào)尾流場(chǎng)時(shí)完全失敗;第2種方式對(duì)舭渦在槳盤面處的影響有所體現(xiàn);第3種方式成功地捕捉到舭渦在槳盤面處所形成的“島”狀或者“兔耳”狀,但是和試驗(yàn)值相比,其位置偏差15度左右,失真較嚴(yán)重;第4和第5種方式預(yù)報(bào)的結(jié)果和試驗(yàn)值完全吻合.為了從直觀上了解不同網(wǎng)格劃分方式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,這里給出了第2種和第4種網(wǎng)格劃分方式所劃分的網(wǎng)格及相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果,如圖13～16所示.2.5網(wǎng)格劃分和局部加密綜合上述的網(wǎng)格劃分方式及其對(duì)計(jì)算結(jié)果所造成的不同影響,可以得出針對(duì)肥大型船伴流場(chǎng)數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分方法,該方法可以概括為以下5點(diǎn).1)計(jì)算域的大小可以按如下方法獲得:從船艏向上游延伸1個(gè)船長(zhǎng),從船尾向下游延伸4個(gè)船長(zhǎng),沿寬度方向延伸5個(gè)半寬,深度方向延伸5～7個(gè)吃水.2)在整個(gè)流場(chǎng)很大時(shí),為了控制網(wǎng)格總數(shù),同時(shí)使近壁區(qū)域網(wǎng)格有較好的分辨率,需要對(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行分塊,可將計(jì)算域分為船體近流場(chǎng)控制域和遠(yuǎn)流場(chǎng)控制域.在不考慮自由液面時(shí),近流場(chǎng)控制域以設(shè)計(jì)水線面、中線面和中站面為基準(zhǔn),向外延伸半個(gè)船寬的距離為宜,剩余部分為遠(yuǎn)流場(chǎng)控制域.3)在船殼曲率較大且變化明顯的部位,應(yīng)采用合適的網(wǎng)格尺度,并使網(wǎng)格的分辨率由大到小,逐步過(guò)渡到曲率較小且變化不明顯的部位.4)對(duì)流場(chǎng)及我們考察的關(guān)鍵部位進(jìn)行局部加密.以螺旋槳為例,最小的加密范圍應(yīng)以槳盤面為基準(zhǔn),沿徑向1.5倍螺旋槳直徑,沿軸向4倍以上螺旋槳直徑.5)近壁區(qū)域網(wǎng)格必須考慮離開(kāi)壁面的第1個(gè)節(jié)點(diǎn)與壁面之間的距離,并且粘性邊界層內(nèi)的最少節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于5個(gè).3網(wǎng)格分段方法的適用性驗(yàn)證、結(jié)果分析為檢驗(yàn)這種針對(duì)肥大型船伴流場(chǎng)數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分方法的適用性,現(xiàn)以方形系數(shù)不同的3條船作為驗(yàn)證算例.3.1網(wǎng)格劃分和邊界條件作為驗(yàn)證算例的3條船依次為某散貨船、某化學(xué)品運(yùn)輸船和某集裝箱船,船體參數(shù)如表1所示.這3條船的艉部幾何外形分別如圖1、17和18所示,網(wǎng)格劃分參照肥大型船網(wǎng)格劃分方法的5個(gè)要點(diǎn).計(jì)算區(qū)域的邊界分為進(jìn)口邊界,出口邊界,壁面,遠(yuǎn)場(chǎng)邊界和對(duì)稱面邊界.在進(jìn)口邊界上,給定來(lái)流速度和壓力,出口邊界上給定出口壓力,遠(yuǎn)場(chǎng)條件給定自由滑移壁面,船體表面給定無(wú)滑移壁面,由于采用重疊模計(jì)算,靜水面和對(duì)稱面處都使用對(duì)稱邊界條件.數(shù)值計(jì)算采用CFX求解器,SSG雷諾應(yīng)力湍流模型.3.2船舶粘結(jié)流動(dòng)特征的數(shù)值模擬眾所周知,船舶繞流是一種高度復(fù)雜的三維流動(dòng),肥大型船從船舯到船艉,船舶的橫剖面形狀及其面積變化劇烈,理論上認(rèn)為,在艉部容易出現(xiàn)流線的聚散和流線曲率較強(qiáng)烈的變化,存在逆壓梯度、流動(dòng)的縱向、橫向分離和強(qiáng)的縱向渦(舭渦),從而會(huì)在槳盤面處產(chǎn)生“鉤”狀或“兔耳”狀的等值伴流曲線.因此能否預(yù)報(bào)出這些典型的流動(dòng)特征成為數(shù)值模擬成功與否的標(biāo)志.圖19～24為這3條船槳盤面伴流分?jǐn)?shù)等值線圖的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值.從圖中可以看出,使用這種網(wǎng)格劃分方式,可以很好地預(yù)報(bào)出在試驗(yàn)中觀察到的船舶粘性流動(dòng)中的一些典型的流動(dòng)特征,如槳盤面處軸向伴流分?jǐn)?shù)等值線的“島”形和“鉤”形,這些是衡量數(shù)值模擬是否成功的標(biāo)志.并且,定性分析而言,計(jì)算值和試驗(yàn)值完全吻合,計(jì)算所得“島”的位置和試驗(yàn)測(cè)得“島”的位置完全一致.3.3船槳頂上伴流分?jǐn)?shù)的選取點(diǎn)為了從定量上對(duì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步的比較,在這三條船的槳盤面上分別取4個(gè)圓環(huán),在每個(gè)圓環(huán)上等角度選取一些點(diǎn),比較這些點(diǎn)上伴流分?jǐn)?shù).3.3.1工程運(yùn)用精度分析在某散貨船槳盤面上分別取r/R=0.454,r/R=0.636,r/R=0.818,r/R=1.0的4個(gè)圓環(huán),在每個(gè)圓環(huán)上等角度選取24個(gè)點(diǎn),比較這些點(diǎn)上的伴流分?jǐn)?shù).計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較如圖25～28所示,圖中0°在槳盤面正上方,相應(yīng)的180°在其正下方.從定量分析而言,除個(gè)別區(qū)域誤差較大外,總體的計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合良好,達(dá)到了工程運(yùn)用的精度.3.3.2計(jì)算結(jié)果比較在某化學(xué)品運(yùn)輸船槳盤面上分別取r/R=0.4,r/R=0.7,r/R=0.9,r/R=1.0的4個(gè)半圓,在每個(gè)半圓上等角度選取14個(gè)點(diǎn),比較這些點(diǎn)上的伴流分?jǐn)?shù).計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較如圖29～32所示,圖中0°在槳盤面正上方,相應(yīng)的180°在其正下方.從定量分析而言,除個(gè)別區(qū)域誤差較大外,總體的計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合良好,達(dá)到了工程運(yùn)用的精度.3.3.3模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較在某集裝箱船槳盤面上分別取r/R=0.4,r/R=0.7,r/R=0.9,r/R=1.0的4個(gè)半圓,在每個(gè)半圓上等角度選取14個(gè)點(diǎn),比較這些點(diǎn)上的伴流分?jǐn)?shù).計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較如圖33～36所示,圖中0°在槳盤面正上方,相應(yīng)的180°在其正下方.從比較的結(jié)果上可以看出,總體的計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合良好,從而證實(shí)使用ICEMCFD劃分網(wǎng)格,并且網(wǎng)格劃分參照肥大型船網(wǎng)格劃分方法的5個(gè)要點(diǎn)這種網(wǎng)格劃分方式在研究肥大型船尾流場(chǎng)上具有較強(qiáng)的適用性.3.4計(jì)算得到的矢量結(jié)果槳盤面橫向速度也是船體尾流場(chǎng)的重要研究對(duì)象,文獻(xiàn)所給橫向速度矢量圖和計(jì)算所得結(jié)果如圖37、38所示.可以發(fā)現(xiàn),計(jì)算所得矢量圖在r/R=0.454處和r/R=1.0處的圓環(huán)上和試驗(yàn)圖符合良好,兩者的矢量大小和方向完全一致,但是在r/R=0.636處和r/R=0.818處的圓環(huán)上,局部區(qū)域矢量方向失真.不過(guò)從整體而言,達(dá)到了數(shù)值預(yù)報(bào)的目的.3.5部中的等值線船舶繞流是一種高度復(fù)雜的三維流動(dòng).肥大型船從船舯到船艉,船舶的橫剖面形狀及其面積變化劇烈,理論上認(rèn)為,在艉部容易出現(xiàn)流線的聚散和流線曲率較強(qiáng)烈的變化,存在逆壓梯度、流動(dòng)的縱向、橫向分離和強(qiáng)的縱向渦(舭渦).圖39給出了尾渦的三維速度等值線側(cè)視圖和正視圖,由圖可以直觀地看到沿船體的流線在艉部形成的2個(gè)漩渦,而這2個(gè)漩渦正是產(chǎn)生“鉤”狀或“兔耳”狀的等值伴流曲線的根源,進(jìn)而對(duì)“島”狀等值線形成