cfd標(biāo)模kcs實(shí)船功率性能預(yù)報(bào)研究

cfd標(biāo)模kcs實(shí)船功率性能預(yù)報(bào)研究

0虛擬試驗(yàn)階段cfd模擬。在實(shí)船功率21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)！海洋空間和資源開(kāi)發(fā)的前提和核心基礎(chǔ)是海洋惡意軟件技術(shù)。水動(dòng)力是船舶惡意軟件設(shè)備全球技術(shù)的中心基礎(chǔ)。全球水動(dòng)力的設(shè)計(jì)和評(píng)估是設(shè)計(jì)階段不可或缺的重要組成部分。傳統(tǒng)的船舶海洋工程裝備性能設(shè)計(jì)評(píng)估模式是:根據(jù)母型船或裝備型線、模型系列試驗(yàn)資料,按照某種規(guī)則對(duì)型線加以修改得到目標(biāo)船型或裝備型線,然后制作模型、開(kāi)展試驗(yàn),利用模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合水動(dòng)力性能評(píng)估。這種模式,強(qiáng)烈地依賴于設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和型線數(shù)據(jù)庫(kù),并且對(duì)資源的消耗和依賴多,周期長(zhǎng),不利于快速響應(yīng)。隨著計(jì)算機(jī)和CFD(ComputationalFluidDynamics,計(jì)算流體力學(xué))技術(shù)的快速發(fā)展,以CFD技術(shù)為核心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托的虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)在船舶綜合水動(dòng)力性能設(shè)計(jì)評(píng)估中發(fā)揮著日益重要的作用。這種方法對(duì)資源的消耗和依賴較少,周期也相對(duì)較短,可以高效地響應(yīng)用戶的設(shè)計(jì)要求。由于虛擬試驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和巨大潛力,國(guó)際船舶水動(dòng)力學(xué)界對(duì)其十分關(guān)注。2004年,歐盟啟動(dòng)了虛擬試驗(yàn)水池計(jì)劃VIRTUE(TheVirtualTankUtilityinEurope),首次提出了全面的船舶水動(dòng)力性能虛擬試驗(yàn)策略架構(gòu),具有很強(qiáng)的學(xué)科指南意義。近年來(lái),中國(guó)船舶科學(xué)研究中心等國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu),也開(kāi)展了大量的船舶水動(dòng)力CFD研究工作,取得了較為豐碩的成果,與物理模型試驗(yàn)形成良性的互補(bǔ)、互動(dòng),在船舶水動(dòng)力性能設(shè)計(jì)、評(píng)估和優(yōu)化等方面發(fā)揮了重要作用。以上述研究工作和成果為基礎(chǔ),根據(jù)客戶的需求,中國(guó)船舶科學(xué)研究中心提出了構(gòu)建船舶綜合水動(dòng)力分析虛擬水池技術(shù)系統(tǒng)目標(biāo),目前已針對(duì)船舶快速性,形成了V1.0版本。無(wú)論是物理試驗(yàn)還是虛擬試驗(yàn),其目的都是為了預(yù)報(bào)、評(píng)估船舶的航行性能。對(duì)船舶快速性而言,可以通過(guò)船模阻力、螺旋槳模型敞水和船模自航等物理模型試驗(yàn)來(lái)預(yù)報(bào)實(shí)船功率性能或航速;相應(yīng)地,也可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的虛擬試驗(yàn)即CFD模擬預(yù)報(bào)實(shí)船功率性能或航速,這就是本文研究工作的目的。比擬物理模型試驗(yàn),基于CFD模擬的實(shí)船功率性能預(yù)報(bào),也要開(kāi)展船模阻力、螺旋槳模型敞水和船模自航的數(shù)值計(jì)算;而每個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)算誤差,都會(huì)累積到實(shí)船功率性能的預(yù)報(bào)中。因此,欲使實(shí)船功率性能預(yù)報(bào)精度滿足工程實(shí)用要求,對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)值計(jì)算精度都應(yīng)有一定的的要求。其中,船模阻力和螺旋槳模型敞水的CFD計(jì)算技術(shù)漸趨成熟,預(yù)報(bào)精度也基本達(dá)到工程實(shí)用的要求;船模自航的CFD模擬雖已取得成功,但因其為船、槳、舵相互干擾的復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題,對(duì)于自航船模的阻力和船后螺旋槳的推力、扭矩的預(yù)報(bào),就目前國(guó)際總體水平而言,其精度尚難達(dá)到工程實(shí)用的要求。因此,基于CFD模擬的實(shí)船功率性能預(yù)報(bào),其難點(diǎn)主要在自航模擬中,包括船、槳相互干擾條件下的船模阻力和船后螺旋槳推力、扭矩的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。本文比擬模型試驗(yàn)的水面船功率性能預(yù)報(bào),針對(duì)水面船標(biāo)模KCS,開(kāi)展了船模阻力、螺旋槳模型敞水和船模自航的數(shù)值模擬;通過(guò)對(duì)CFD計(jì)算結(jié)果的分析,獲得KCS實(shí)船的自航因子,并預(yù)報(bào)了設(shè)計(jì)航速下的實(shí)船功率。CFD計(jì)算模擬、分析及預(yù)報(bào)結(jié)果,都與模型試驗(yàn)及基于模型試驗(yàn)的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了比較,總體上符合較好。本文的工作,是國(guó)內(nèi)首次較系統(tǒng)的基于CFD模擬的水面船功率預(yù)報(bào)研究,也是船舶綜合水動(dòng)力分析虛擬水池技術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。1流體體積處理本文對(duì)水面船自由面繞流問(wèn)題的數(shù)值模擬是將自由面流動(dòng)作為兩相流(水和空氣)來(lái)處理,自由面就是水和空氣的交界面;由于流場(chǎng)中流體流動(dòng)速度與音速相比很小,因此將水和空氣都作為不可壓縮流體處理;自由面使用VOF(VolumeofFluid,流體體積)方法處理。這樣,水面船自由面繞流問(wèn)題數(shù)學(xué)模型的控制方程包括:連續(xù)性方程、體積分?jǐn)?shù)方程、動(dòng)量方程,以及湍流模型的k方程和uf065方程。1.1流體體不可壓縮性的u不可壓縮流體流動(dòng)的連續(xù)性方程為式中V為速度矢量。對(duì)于水面船自由面繞流問(wèn)題這種兩相流,水與空氣的質(zhì)量都應(yīng)該是守恒的。由于流體的不可壓縮性,可以用體積分?jǐn)?shù)寫(xiě)為計(jì)算區(qū)域內(nèi)的每個(gè)控制體積都由水和空氣充滿,它們的體積分?jǐn)?shù)之和應(yīng)為1,即:式中uf061表示體積分?jǐn)?shù),下標(biāo)a和w分別代表空氣和水。兩相流同樣要滿足動(dòng)量守恒方程:式中,uf072為流體密度;uf06d是粘性系數(shù);g為重力加速度;p是壓力。本文的數(shù)值模擬使用常用的RNGk-uf065兩方程湍流模型,其具體形式可以參閱相關(guān)文獻(xiàn)。1.2流項(xiàng)與擴(kuò)散項(xiàng)差分格式控制方程使用有限體積法(FiniteVolumeMethod,FVM)離散,其中對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式,擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式。離散得到的差分方程組具有高度耦合性和非線性,使用SIMPLE(Semi-ImplicitMethodforPressureLinkedEquations)方法求解,使用多重網(wǎng)格(Multigrid)技術(shù)加速收斂。2計(jì)算對(duì)象的總結(jié)數(shù)值模擬中,使用的船模為KRISO的3600TEU集裝箱船KCS,槳模為KP505。船模和槳模主要參數(shù)分別列于表1和表2中。3計(jì)算船模阻力值的方法3.1有限元網(wǎng)格劃分由于阻力計(jì)算問(wèn)題具有對(duì)稱性,因而在數(shù)值模擬時(shí)只需計(jì)算一半?yún)^(qū)域。計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分參考了以前的研究成果。計(jì)算區(qū)域如圖1所示,其邊界包括以下幾個(gè)部分:(1)前端——模型首部前約1.2LPP處;(2)后端——模型尾部后約2.5LPP處;(3)側(cè)邊界——模型側(cè)方約1.3LPP處;(4)上邊界——水線以上約0.3LPP處;(5)下邊界——水線以下約1.3LPP處;(6)對(duì)稱面——模型中縱剖面的延展面;(7)船模表面。計(jì)算中使用的網(wǎng)格為H-O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(縱向H型、橫向O型,如圖1所示),計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格單元總數(shù)約為55萬(wàn)。網(wǎng)格劃分的基本原則為:船模首部和尾部網(wǎng)格適當(dāng)加密,中部網(wǎng)格較為稀疏;在模型表面附近網(wǎng)格加密,其中第一層網(wǎng)格間距根據(jù)y+確定(y+平均約為50~100);自由表面附近網(wǎng)格也適當(dāng)加密。圖2則給出了船模表面網(wǎng)格劃分。3.2壓力分布自由面設(shè)置數(shù)值模擬中,邊界條件的具體設(shè)置如下:(1)在入口邊界上,根據(jù)船模運(yùn)動(dòng)速度和自由面位置,給定入口流動(dòng)速度以及水和空氣的體積分?jǐn)?shù);(2)出口邊界距離船模足夠遠(yuǎn),其壓力分布設(shè)置為靜水壓力;(3)在船模表面,引入標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);(4)在對(duì)稱面上,滿足對(duì)稱條件。以均勻流場(chǎng)作為數(shù)值計(jì)算的初始條件。3.3船模阻力分析結(jié)果處理中,無(wú)量綱量如傅汝德數(shù)Fr、雷諾數(shù)Re的定義如下:式中V為船模速度,ρw,μw分別為水(15°C淡水)的密度和粘性系數(shù)。總阻力系數(shù)CT、摩擦阻力系數(shù)CF和剩余阻力系數(shù)CR的定義如下:數(shù)值模擬中,船模速度為2.197m/s(Fr=0.26,Re=1.401×107),對(duì)應(yīng)實(shí)船航速24kn(1kn=1.852km/h)。數(shù)值計(jì)算得到的船模阻力與阻力系數(shù)列于表3中,表中同時(shí)給出了模型試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出,在此工況下,本文數(shù)值計(jì)算得到的船模阻力及阻力系數(shù)與模型試驗(yàn)結(jié)果十分接近,二者之差不超過(guò)1%。對(duì)于船模阻力CFD計(jì)算,根據(jù)Gothenburg2010CFD-Workshop對(duì)所有參與機(jī)構(gòu)提交的標(biāo)模KVLCC2、KCS和DTMB5415計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析,與模型試驗(yàn)相比,計(jì)算結(jié)果平均標(biāo)準(zhǔn)偏差約為2%~3%左右;中國(guó)船舶科學(xué)研究中心對(duì)其近年來(lái)船模阻力CFD計(jì)算的統(tǒng)計(jì)分析表明,95%的計(jì)算結(jié)果偏差在3%之內(nèi),平均偏差約為2%左右。由CFD計(jì)算的船模阻力系數(shù),可以通過(guò)換算預(yù)估實(shí)船總阻力系數(shù)、總阻力和有效功率:式中,CRs(28)CR;對(duì)于KCS,取(35)CF(28)0.27uf0b410-3。根據(jù)船模阻力系數(shù)換算得到的KCS實(shí)船總阻力系數(shù)、總阻力和有效功率列于表4中。4槳葉轉(zhuǎn)速的變化采用滑移網(wǎng)格方法,進(jìn)行螺旋槳敞水試驗(yàn)數(shù)值模擬。數(shù)值模擬中,螺旋槳的運(yùn)轉(zhuǎn)條件設(shè)為:轉(zhuǎn)速n為50r/s(轉(zhuǎn)速雷諾數(shù)為3.125×106),進(jìn)速系數(shù)J=VA/(nD)的范圍為0.1~0.9,進(jìn)速系數(shù)J的變化由進(jìn)速VA增大或減小來(lái)實(shí)現(xiàn),而轉(zhuǎn)速n保持不變。4.1槳模和槳微生物螺旋槳敞水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算區(qū)域的邊界包括以下幾個(gè)部分:(1)前端——螺旋槳上游6.0D處;(2)后端——螺旋槳下游12.0D處;(3)側(cè)邊界——螺旋槳側(cè)方6.0D處;(4)槳模及槳轂表面。數(shù)值模擬中,螺旋槳及其附近的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,外圍則使用H-O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格之間通過(guò)交界面搭接;網(wǎng)格單元總數(shù)約為57萬(wàn),其中螺旋槳附近旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格單元數(shù)約為26萬(wàn)。4.2槳葉進(jìn)速控制數(shù)值模擬中,邊界條件的具體設(shè)置如下:(1)在入口邊界上,根據(jù)螺旋槳進(jìn)速,給定來(lái)流速度;(2)出口邊界距離螺旋槳足夠遠(yuǎn),設(shè)置壓力出口;(3)在轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域,設(shè)定螺旋槳轉(zhuǎn)速和方向;(4)在螺旋槳及槳轂表面,引入標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。同樣以均勻流場(chǎng)作為數(shù)值計(jì)算的初始條件。4.3數(shù)值模擬仿真時(shí)小時(shí)效果式中,T為推力,Q為扭矩。圖3給出了計(jì)算所得螺旋槳敞水性能曲線與試驗(yàn)曲線的比較。由計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)的比較可知:對(duì)于推力系數(shù),進(jìn)速系數(shù)J在0.3~0.8范圍內(nèi)預(yù)報(bào)效果較好,誤差在3%以內(nèi),進(jìn)速系數(shù)過(guò)小或過(guò)大時(shí)預(yù)報(bào)效果略差;對(duì)于扭矩系數(shù),在數(shù)值計(jì)算的進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi),除個(gè)別點(diǎn)外,誤差基本都在3%以內(nèi);而對(duì)于敞水效率,誤差都在3%以內(nèi)。由此可見(jiàn),本文使用的數(shù)值模擬方法能夠較好地預(yù)報(bào)螺旋槳敞水性能?？紤]到帶自由面的水面船自航數(shù)值模擬相當(dāng)耗時(shí),因而要盡量控制網(wǎng)格單元數(shù)量,螺旋槳附近的網(wǎng)格單元數(shù)量不可太多,對(duì)應(yīng)敞水計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量也相對(duì)較少,由此可能導(dǎo)致某些工況下的預(yù)報(bào)結(jié)果存在一定誤差。在一般情況下,可以用螺旋槳模型計(jì)算或試驗(yàn)所得的敞水性能作為實(shí)槳的敞水性能。其主要依據(jù)是:模型的粘性阻力系數(shù)雖略大于實(shí)槳,但是模型加工時(shí)槳葉表面十分光滑,而實(shí)槳的表面比較粗糙,認(rèn)為實(shí)槳粗糙度的附加阻力系數(shù)大體抵消了兩者之間的差異。5水面船舶自航行值的模擬和自航原因的分析5.1數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)于單槳水面船自航的數(shù)值模擬,由于問(wèn)題不再具有對(duì)稱性,因而需要進(jìn)行整船計(jì)算。計(jì)算區(qū)域的范圍與阻力數(shù)值計(jì)算的一樣,只是對(duì)稱面不復(fù)存在。自航數(shù)值模擬使用船模KCS和槳模KP505;螺旋槳在船模上的安裝位置在x/L=0.4825處,即在尾垂線上游0.0175L處;船模速度為2.197m/s(Fr=0.26,Re=1.401×107)。螺旋槳及其附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分與敞水?dāng)?shù)值模擬的一樣;其他部分的區(qū)域都采用H-O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分與阻力數(shù)值計(jì)算的相同;結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格之間、轉(zhuǎn)動(dòng)與非轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域之間都通過(guò)交界面搭接;網(wǎng)格單元總數(shù)約為140萬(wàn)。圖4給出了船模及螺旋槳表面的網(wǎng)格劃分。數(shù)值模擬中的邊界條件設(shè)置參照船模阻力計(jì)算和螺旋槳敞水模擬;同樣以均勻流場(chǎng)作為數(shù)值計(jì)算的初始條件。5.2數(shù)值自航試驗(yàn)結(jié)果參考水面船自航模型試驗(yàn)方法,采用類似于模型試驗(yàn)的等車速變轉(zhuǎn)速的方法,進(jìn)行數(shù)值自航因子分析。具體分析過(guò)程如下:(1)根據(jù)船型特點(diǎn)等,預(yù)估一自航點(diǎn);(2)在預(yù)估的自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速Nm0及其前后適當(dāng)范圍各取一點(diǎn)Nm1和Nm2(應(yīng)該保證實(shí)際的自航點(diǎn)在此范圍之內(nèi)),進(jìn)行自航的數(shù)值模擬;(3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,可以得到強(qiáng)制力Z(Z=Rm(sp)-Tm),槳推力mT,槳扭矩mQ。繪制出諸曲線,并由Z=Ra通過(guò)插值找出自航點(diǎn);(5)在螺旋槳敞水特性曲線上,根據(jù)KT0(28)KT,可以得到J0、KQ0、η0。則船模的實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率分別為(6)配以阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)mR,可以得到推力減額系數(shù)則船身效率和總推進(jìn)效率分別為:其中:Rm(sp)為自航狀態(tài)下的船模阻力,是為補(bǔ)償模型與實(shí)船摩擦阻力系數(shù)之間差別而引進(jìn)的自航修正值,稱為強(qiáng)制力。對(duì)于KCS,(35)CF(28)0.27uf0b410-3,(7)1(10)k(8)(28).1100,CFs(28)1.378uf0b410-3,則可計(jì)算得到Ra=30.25N。數(shù)值模擬中,預(yù)估自航點(diǎn)螺旋槳轉(zhuǎn)速Nm0=9.50r/s,并取Nm1=9.25r/s,Nm2=9.75r/s。圖5給出了數(shù)值自航試驗(yàn)曲線。由Z=Ra,在數(shù)值自航試驗(yàn)曲線上,通過(guò)插值可得自航點(diǎn)n=9.58,J=0.917,T=60.73,KT=0.170,Q=2.639,10KQ=0.295。根據(jù)KT0(28)KT,在螺旋槳敞水特性曲線上,通過(guò)插值可以得到J0=0.719、10KQ0=0.296、η0=0.657。則船模的實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)mw=0.216,相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率Rη=1.004。配以阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算可得推力減額系數(shù)mt=0.169。則船身效率和總推進(jìn)效率分別為:Hη=1.060,Dη=0.700。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果分析得到的自航因子列于表5中,表中同時(shí)給出了模型試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析得到的自航因子與模型試驗(yàn)結(jié)果總體上符合較好。6實(shí)船螺旋轉(zhuǎn)速及工況評(píng)價(jià)根據(jù)上述船模阻力、螺旋槳敞水、船模自航的CFD模擬結(jié)果及自航因子分析結(jié)果,可進(jìn)行KCS實(shí)船的功率預(yù)報(bào)。實(shí)船實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)可根據(jù)模型實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)和推力減額通過(guò)下式計(jì)算:其中:ts(28)tm。實(shí)船船身效率為實(shí)船螺旋槳的載荷系數(shù)為根據(jù)實(shí)船螺旋槳載荷系數(shù),通過(guò)敞水特性曲線可以得到實(shí)船螺旋槳進(jìn)速系數(shù)Js、推力系數(shù)KTs、扭矩系數(shù)KQs和敞水效率η0s,進(jìn)而可以得到實(shí)船螺旋槳轉(zhuǎn)速:基于CFD模擬結(jié)果及分析計(jì)算得到的實(shí)船螺旋槳載荷