cfd標模kcs自航因子預報研究

cfd標模kcs自航因子預報研究

1船舶水動力性能數(shù)值模擬技術近年來，fd（復合探針iiid）技術的快速開發(fā)和計算機硬件性能的迅速提高，以fd技術為核心的虛擬試驗技術在相關行業(yè)的應用日益普遍。以當今美國航空航天領域為例,CFD約占飛行器氣動設計工作量的70%,而風洞試驗僅占30%。在船舶水動力學領域,2004年,由德國HSVA牽頭,荷蘭MARIN、瑞典SSPA等國際著名水池聯(lián)合發(fā)起了虛擬試驗水池VIRTUE(TheVirtualTankUtilityinEurope)計劃,擬合作開發(fā)一套可靠的船舶水動力性能數(shù)值模擬技術,即虛擬水池技術,以極大提高歐洲船舶制造和船舶設計競爭力,增強歐洲水動力學服務供應機構提供服務的范圍和質量以及其研發(fā)能力。國內船舶水動力學領域對于虛擬水池試驗技術也十分關注,相關研究機構開展了大量的研究工作,在很多方面都取得了相當?shù)倪M展,其中現(xiàn)階段以船舶快速性虛擬水池試驗技術受到的關注最多,發(fā)展也相對成熟。船舶快速性三大試驗中:船模阻力數(shù)值計算精度滿足工程要求,已在船舶設計優(yōu)化中得到應用;螺旋槳敞水水動力數(shù)值預報也達到了相當高的工程實用精度,并獲得了較多的工程化應用;船模自航數(shù)值模擬技術也取得了較大進展。由此可見,基于CFD的船舶快速性能預報所需的必要條件已基本具備,而自航因子的預報則是船舶航速/功率性能預報的重要環(huán)節(jié)。由于水面船自航模擬的難度和計算量都很大,對于自航因子的CFD預報,國際上目前使用較多的是RANS/勢流混合方法:在自航數(shù)值模擬中,采用體積力代替螺旋槳,將計算得到的流場作為輸入,采用升力線(面)等勢流方法計算螺旋槳的推力、扭矩;如此反復迭代得到自航點及自航因子。本文采用類似于模型試驗的等車速變轉速的方法,針對國際通用的標準船模KCS,進行自航因子的CFD分析、預報,并與模型試驗結果進行了比較,總體上符合較好。本文的研究工作,為基于CFD的船舶快速性能(航速/功率)預報鋪平了道路。2水和空氣的交界面在本文中的水面船自由面繞流問題的數(shù)值模擬中,將自由面流動作為兩相流(水和空氣)來處理,自由面就是水和空氣的交界面;由于流場中流體流動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題數(shù)學模型的控制方程包括:連續(xù)性方程、體積分數(shù)方程、動量方程,以及湍流模型的k方程和ε方程。2.1不可壓縮性的計算不可壓縮流體流動的連續(xù)性方程為:對于水面船自由面繞流問題這種兩相流,水與空氣的質量都應該是守恒的。由于流體的不可壓縮性,可以用體積分數(shù)寫為:計算區(qū)域內的每個控制體積都由水和/或空氣充滿,它們的體積分數(shù)之和應為1,即:其中α表示體積分數(shù),下標a和w分別代表空氣和水。兩相流同樣要滿足動量守恒方程:其中,ρ為流體密度;μ是粘性系數(shù);為重力加速度;p是壓力。本文的數(shù)值模擬使用RNGk-ε兩方程湍流模型,其具體形式可以參閱相關文獻。2.2階風壓項目的差分格式控制方程使用有限體積法(FiniteVolumeMethod,FVM)離散,其中對流項采用二階迎風差分格式,擴散項采用中心差分格式。離散得到的差分方程組具有高度耦合性和非線性,使用SIMPLE(SemiImplicitMethodforPressureLinkedEquations)方法求解,使用多重網格(Multigrid)技術加速收斂。3計算對象的總結數(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。4計算船模阻力值的方法4.1有限元單元劃分由于阻力計算問題具有對稱性,因而在數(shù)值模擬時只需計算一半區(qū)域。計算區(qū)域及網格劃分參考了以前的研究成果。(a)前端—模型首部前約1.2LPP處;(b)后端—模型尾部后約2.5LPP處;(c)側邊界—模型側方約1.3LPP處;(d)上邊界—水線以上約0.3LPP處;(e)下邊界—水線以下約1.3LPP處;(f)對稱面—模型中縱剖面的延展面;(g)船模表面。計算中使用的網格為H-O型結構化網格(縱向H型、橫向O型,如圖1所示)。網格劃分的基本原則為:船模首部和尾部網格適當加密,中部網格較為稀疏;在模型表面附近網格加密,其中第一層網格間距根據(jù)y+確定(y+平均約為50~100);自由表面附近網格也適當加密。圖2則給出了船模表面網格劃分。4.2壓力分布自由面設置數(shù)值模擬中,邊界條件的具體設置如下:(a)在入口邊界上,根據(jù)船模運動速度和自由面位置,給定入口流動速度以及水和空氣的體積分數(shù);(b)出口邊界距離船模足夠遠,其壓力分布設置為靜水壓力;(c)在船模表面,引入標準壁面函數(shù);(d)在對稱面上,滿足對稱條件。以均勻流場作為數(shù)值計算的初始條件。4.3船模阻力和剩余阻力結果處理中,無量綱量如傅汝德數(shù)Fr、雷諾數(shù)Re的定義如下:其中,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)?？傋枇ο禂?shù)CT、摩擦阻力系數(shù)CF和剩余阻力系數(shù)CR的定義如下:其中R為船模阻力,(8)式為計算相當平板的摩擦阻力系數(shù)的ITTC’57公式。在本文的數(shù)值模擬中,與KCS阻力和自航模型試驗一樣,船模是全約束的;船模速度為2.197m/s(Fr=0.26,Re=1.401*107),對應實船航速24kns。數(shù)值計算的船模阻力與阻力系數(shù)列于表3中,表中同時給出了模型試驗結果。從表中可以看出,在此工況下,本文數(shù)值計算的船模阻力/阻力系數(shù)與模型試驗結果十分接近,二者之間的差別不超過1%。5旋轉條件設計采用滑移網格方法,進行螺旋槳敞水試驗數(shù)值模擬。數(shù)值模擬中,螺旋槳的運轉條件設為:轉速n為50rps(轉速雷諾數(shù)為3.125×106),進速系數(shù)的范圍為0.1~0.9,進速系數(shù)J的變化由進速VA增大或減小來實現(xiàn),而轉速n保持不變。5.1d處不穩(wěn)定區(qū)域螺旋槳敞水數(shù)值模擬計算區(qū)域的邊界包括以下幾個部分:(a)前端—螺旋槳上游6.0D處;(b)后端—螺旋槳下游12.0D處;(c)側邊界—螺旋槳側方6.0D處;(d)槳模及槳轂表面。數(shù)值模擬中,螺旋槳及其附近的轉動區(qū)域采用非結構化網格,外圍則使用H-O型結構化網格,結構化與非結構化網格之間通過交界面搭接。5.2槳槳進速控制數(shù)值模擬中,邊界條件的具體設置如下:(a)在入口邊界上,根據(jù)螺旋槳進速,給定來流速度;(b)出口邊界距離螺旋槳足夠遠,設置壓力出口;(c)在轉動區(qū)域,設定螺旋槳轉速和方向;(d)在螺旋槳及槳轂表面,引入標準壁面函數(shù)。同樣以均勻流場作為數(shù)值計算的初始條件。5.3模型試驗的比較結果處理中,進速系數(shù)、推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和螺旋槳敞水效率等無量綱量的定義如下:其中,VA為進速,T為推力,Q為扭矩,ρ為密度,n為轉速。圖3給出了螺旋槳敞水性能曲線的計算試驗比較。由計算結果和模型試驗的比較可知:對于推力系數(shù),進速系數(shù)J在0.3~0.8范圍內預報效果較好,誤差在3%之內,進速系數(shù)過小或過大時預報效果略差;對于扭矩系數(shù),在數(shù)值計算的進速系數(shù)范圍內,除個別點外,誤差基本都在3%左右之內;而對于敞水效率,誤差都在3%之內。由此可見,本文使用的數(shù)值模擬方法能夠較好地預報螺旋槳敞水性能?？紤]到帶自由面的水面船自航數(shù)值模擬相當耗時,因而要盡量控制網格單元數(shù)量,螺旋槳附近的網格單元數(shù)量不可太多,對應的敞水計算時的網格數(shù)量也相對較少,由此導致某些工況下的預報結果存在一定誤差。6數(shù)值自航試驗結果對于單槳水面船自航的數(shù)值模擬,由于問題不再具有對稱性,因而需要進行整船計算。計算區(qū)域的范圍與阻力數(shù)值計算的一樣,只是對稱面不復存在。螺旋槳及其附近區(qū)域采用非結構化網格,網格劃分與敞水數(shù)值模擬的一樣;其他部分的區(qū)域都采用H-O型結構化網格,網格劃分與阻力數(shù)值計算的相同;結構化與非結構化網格之間、轉動與非轉動區(qū)域之間都通過交界面搭接。圖4則給出了船模及螺旋槳表面的網格劃分。數(shù)值模擬中的邊界條件設置參照船模阻力計算和螺旋槳敞水模擬;同樣以均勻流場作為數(shù)值計算的初始條件。參考水面船自航模型試驗方法,采用類似于模型試驗的等車速變轉速的方法,進行數(shù)值自航因子分析。具體分析過程如下:(1)根據(jù)船型特點,預估一自航點;(2)在預估的自航點轉速Nm0及其前后適當范圍各取一點Nm1和Nm2(應該保證實際的自航點在此范圍之內),進行自航的數(shù)值模擬;(3)根據(jù)數(shù)值模擬結果,可以得到強制力槳推力Tm,槳扭矩Qm。繪制出諸曲線,并由Z=Ra通過插值找出自航點;(4)繪制數(shù)值自航試驗曲線,計算無量綱參數(shù):(5)在螺旋槳敞水特性曲線上,根據(jù)KT0=KT,可以得到J0、KQ0、η0。則船模的實效伴流分數(shù)和相對旋轉效率分別為:(6)配以阻力試驗數(shù)據(jù)Rm,可以得到推力減額系數(shù)。則船身效率和總推進效率分別為:其中,為自航狀態(tài)下的船模阻力,是為補償模型與實船摩擦阻力系數(shù)之間差別的自航修正。對于則可計算得到Ra=30.25N。自航數(shù)值模擬使用的船模是KCS,螺旋槳模型為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。數(shù)值模擬中,與模型試驗中一樣,船模是全約束的,速度為2.197m/s(Fr=0.26),預估自航點螺旋槳轉速Nm0=9.50c/s,并取Nm1=9.25c/s,Nm2=9.75c/s。數(shù)值模擬得到的不同轉速下螺旋槳推力、扭矩、船模阻力、強制力等列于表4中;圖5則給出了數(shù)值自航試驗曲線。由Z=Ra,在數(shù)值自航試驗曲線上,通過插值可得自航點n=9.58,J=0.917,T=60.73,KT=0.170,Q=2.639,10KQ=0.295。根據(jù)KT0=KT,在螺旋槳敞水特性曲線上,通過插值可以得到J0=0.719、10KQ0=0.296、η0=0.657。則船模的實效伴流分數(shù)wm=0.216,相對旋轉效率ηR=1.004。配以阻力試驗數(shù)據(jù),通過計算可得推力減額系數(shù)tm=0.169。則船身效率和總推進效率分別為:ηH=1.060,ηD=0.700。通過數(shù)值模擬結果分析得到的自航因子列于表5中,表中同時給出了模型試驗結果。從表中可以看出,根據(jù)數(shù)值模擬結果分析得到的自航因子與模型試驗結果總體上符合較好。7cfd對實船功率/通航預報的啟示根據(jù)上述數(shù)值模擬結果及其分析,可以看出:(a)在文中的計算工況下,KCS船