實船雷諾數(shù)相似船模的數(shù)值模擬

實船雷諾數(shù)相似船模的數(shù)值模擬

0相似船模模型的建立為了研究真實船雷諾數(shù)下驅(qū)動的性能，可以將實際格柵分為、計算和計算。然而，實際計算網(wǎng)格量大、計算時間長、施工需要大的問題，關(guān)于實際觀測值的研究很少。raven等人通過cfd方法計算了模型和真實船的阻力，并分析了船舶模型中實際動態(tài)阻力變化過程中各阻力成分的體積效應(yīng)。bhshan等人對atiea船模型和實際船的數(shù)值進行了計算和驗證。事實上，計量的計算值考慮到粗糙度的影響，這與船模型試驗的外部推值一致。劉志華等人提出了在計算值時改變水流粘度系數(shù)、實現(xiàn)雷諾數(shù)相似的方法，能夠準確計算實際船的雷諾數(shù)。我們以雷諾數(shù)相似的船模型的方法為基礎(chǔ)，比較了雷諾數(shù)相似模型與實際尺寸之間預(yù)測的裸船的阻力、流程圖、泵的揚程和電力以及船泵值的自我提升和動力參數(shù)。結(jié)果表明，雷諾數(shù)相似的船模型可以實現(xiàn)船、泵的幾何、運動和動態(tài)速度的全相似性。1雷諾數(shù)類似于船模型，表明實際船的性能1.1來流速度、粘度為保證船模和實船總阻力系數(shù)相等,必須滿足實船和船模的雷諾數(shù)Re和弗勞德數(shù)Fr相等:式中:下標s和m分別為實船和模型;L為船長,υ為流體運動粘度;v為來流速度;g為重力加速度.在船模試驗時不能滿足全相似定律,因此工程實踐中船模試驗都是在弗勞德數(shù)相等的條件下進行的.為實現(xiàn)實船和船模的雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)全相似,在數(shù)值計算中可令:引入虛擬流體運動粘度系數(shù)之后,流體仍為牛頓流體,流場的基本運動規(guī)律不變,因此湍流模型及控制方程不需要調(diào)整.1.2實船阻力預(yù)報研究對象為DTMB5415.由于DTMB5415沒有相關(guān)的實船數(shù)據(jù),因此本文暫且將模型放大20倍作為實船,實船的阻力數(shù)據(jù)由船模試驗數(shù)據(jù)通過三因次換算外推得到.本文的計算區(qū)域入口取船首向前延伸1倍船長處,出口取船尾向后延伸2倍船長處,側(cè)邊界及下方邊界均取1倍船長,上方邊界取水線上方0.5倍船長.采用VOF的方法來追蹤自由液面,湍流模型采用k-ωSST模型,對流項離散選用二階離散格式.采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,同時對船首、船尾及靜水面進行網(wǎng)格加密,網(wǎng)格節(jié)點數(shù)320萬.船體附近的拓撲及網(wǎng)格分布如圖1所示.網(wǎng)格質(zhì)量檢測(determinant>0.45,angle>9)滿足計算要求.為實現(xiàn)船模、實船Re和Fr全相似條件,在對船模進行數(shù)值模擬時將水的運動粘度按照全相似的條件設(shè)置一個虛擬的粘度系數(shù)(取為1.067×10-8m2/s).此時,船模的邊界層厚度大大降低,為使船模表面網(wǎng)格第一層節(jié)點在對數(shù)層中,需使船體表面y+在30~300范圍內(nèi).同時要注意使邊界層內(nèi)部分布足夠的網(wǎng)格,以便捕捉邊界層內(nèi)速度和壓力的變化.選取低、中、高3個代表性的航速進行計算,3個航速下阻力計算值與試驗值外推得到實船阻力如表1所列.進行實船阻力預(yù)報,必須要考慮粗糙度的影響.表2中實船阻力預(yù)報中粗糙度的影響采用Townsin等人提出的船體粗糙度補貼公式可以看出,合理設(shè)置船體表面第一層網(wǎng)格厚度并調(diào)整網(wǎng)格分布,虛流體粘度方法結(jié)合Townsin經(jīng)驗公式能夠較為準確地預(yù)報實船阻力.考慮粗糙度的虛流體粘度系數(shù)方法阻力計算值與船模試驗外推值在3個航速下相差在5%以內(nèi).此方法計算所需的網(wǎng)格與普通模型數(shù)值模擬的網(wǎng)格量接近,可以快速準確地預(yù)報實船阻力.為了進一步驗證雷諾數(shù)相似船模方法預(yù)報實船阻力和流場的可行性,本文也進行了實船的網(wǎng)格劃分和計算.針對實尺度計算,本文采用與模型尺度下相似的控制域,并且對船體和水線面附近的網(wǎng)格進行加密,網(wǎng)格數(shù)目為1500萬,船體表面第一層網(wǎng)格厚度使船體表面y+在30~300之間.對Fr=0.28航速下船模試驗、模型雷諾數(shù)船模及雷諾數(shù)相似船模方法、實尺度計算方法預(yù)報的波形及流場結(jié)果進行了分析和對比.其中波形的比較結(jié)果見圖2,槳盤處伴流場比較結(jié)果見圖3.定義原點為首垂線與水線的交點,x軸指向船尾,y軸指向船體右側(cè),z軸指向船體上方.由圖2可見,船模的數(shù)值模擬與船模試驗值的波形基本吻合.基于CFD計算的3種方法波形比較接近,但是波幅有細微的差別,其中實船雷諾數(shù)下船尾的波幅更大.從圖3中槳盤面處的流場可以看出:(1)模型尺度數(shù)值模擬能夠大致反映出船模伴流的趨勢,但是在一些數(shù)據(jù)點處與試驗數(shù)據(jù)相比仍有偏離;(2)雷諾數(shù)相似船模方法與實船計算給出了較為一致的結(jié)果,且伴流作用較模型尺度下要弱.主要原因是模型尺度下船尾的邊界層較厚,對伴流的影響更加顯著.通過對波形和伴流場的比較可以看出:雷諾數(shù)相似船模方法和實尺度計算得出的結(jié)果較為一致且體現(xiàn)出了實船雷諾數(shù)下流場特征:粘性的作用相對較弱,導(dǎo)致伴流較弱,興波更強,表明了雷諾數(shù)相似船模在預(yù)報實船槳盤伴流場及實船推進性能的可行性.2羅馬數(shù)類似于模型泵的預(yù)測實際泵性能2.1模型泵和實泵的動力學(xué)相似關(guān)系在噴水推進船模自航試驗或者數(shù)值計算時,噴泵的縮尺比較大,產(chǎn)生了明顯的尺度效應(yīng).通過在數(shù)值計算中修改流體粘度系數(shù)實現(xiàn)雷諾數(shù)相似,可以消除尺度效應(yīng)的影響,實現(xiàn)實泵和模型泵動力學(xué)相似.與上文雷諾數(shù)相似船模換算保持一致,實泵和模型泵的軸轉(zhuǎn)速和水的粘度、換算如下.流體粘度軸轉(zhuǎn)速按照泵的相似理論和式(7),實泵和模型泵參數(shù)換算如下.揚程流量軸功率式中:下標m為模型泵,下標s為實尺泵.本文計算實泵進口直徑為2m,模型泵縮尺1/30,則模型泵進口直徑為6.667cm.對模型泵和實泵進行六面體網(wǎng)格劃分,采用SST湍流模型,進口為流量邊界條件,出口為靜壓邊界條件.泵的網(wǎng)格劃分及計算的相關(guān)設(shè)置參照文獻[8-10].2.2虛擬粘度方法本文計算了實泵在設(shè)計轉(zhuǎn)速280r/min下5個不同流量的工況,實泵網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為274萬,動力粘度設(shè)置為25°時淡水的粘度(8.9×10-4kg/(m·s-1);模型泵推算值1在計算時網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為75萬,動力粘度與實泵計算設(shè)置相同;模型泵推算值2計算時網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為75萬,動力粘度設(shè)置為虛擬粘度5.42×10-6kg/(m·s-1);模型泵推算值3計算時對模型泵網(wǎng)格加密,網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為274萬,動力粘度仍設(shè)置為虛擬粘度5.42×10-6kg/(m·s-1).噴水推進泵內(nèi)流線分布及4種計算設(shè)置預(yù)報實泵效率分別見圖4,5.自航試驗時,噴水推進泵的縮尺比較大,模型泵與實泵之間存在較大的尺度效應(yīng).相對于實泵計算值,模型泵推算值1揚程偏低了7%~12%,軸功率偏大了4%~6%,導(dǎo)致效率偏低了11%~17%.可見在噴水推進船模自航試驗時,即使保證流量相似,由模型泵推算的到實泵性能存在較大的偏差.通過設(shè)置虛擬流體粘度,消除尺度效應(yīng)帶來的影響,實現(xiàn)模型泵與實泵動力學(xué)相似.各流量下模型泵推算值2與實尺度計算值相差不大:推算值預(yù)報的揚程、效率偏差在1.5%以內(nèi),軸功率偏差在3%以內(nèi).分析產(chǎn)生偏差的主要原因為模型泵與實泵尺寸相差較大,網(wǎng)格量差別也較大,在數(shù)值計算中存在一定數(shù)值耗散,導(dǎo)致預(yù)報值略有不同.對比實泵計算值,模型泵推算值3預(yù)報的揚程偏差在1.5%以內(nèi),軸功率偏差在0.1%以內(nèi),效率偏差在1.5%以內(nèi).模型泵推算值2與實泵計算值偏差主要是因為網(wǎng)格量差別產(chǎn)生的,通過加密網(wǎng)格可以提高模型泵預(yù)報精度.綜上,運用虛擬粘度的方法能夠在模型尺度較好預(yù)報實尺度下的性能,克服了實尺度計算計算量過大,傳統(tǒng)模型尺度計算或試驗存在尺度效應(yīng)的困難.3船模與實船的模型評價對比從前述計算中可以看出,通過設(shè)置虛擬流體粘度可以消除船模、模型泵與實尺度船、泵之間的尺度效應(yīng),比較準確地預(yù)報實船阻力、流場以及泵的性能,故本方法可以用來求取實船的自航因子.本文對某尾板式噴水推進船實尺度和模型尺度進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和數(shù)值計算.船模的縮尺比為1/30,實尺度網(wǎng)格節(jié)點2200萬,模型尺度網(wǎng)格節(jié)點為650萬,船表面第一層網(wǎng)格滿足y+在30~300范圍內(nèi),船尾及流道表面的網(wǎng)格分布如圖6.對比雷諾數(shù)相似船模與實船在Fr=0.431航速下,實泵轉(zhuǎn)速為263r/min下各參數(shù)預(yù)報值:相對于實船預(yù)報值,雷諾數(shù)相似船模預(yù)報的船體阻力偏小3%,流量偏大0.3%,推力偏小3.7%,軸功率偏小1.2%,推進效率偏小2.5%.雷諾數(shù)相似船模方法與實船計算預(yù)報推進性能偏差在工程精度范圍內(nèi),故可以采用雷諾數(shù)相似船模方法代替實船計算預(yù)報數(shù)值自航點,采用這種方法可以大大減小計算量,減短計算時間.實船雷諾數(shù)下船體的興波如圖7所示.本文在船模數(shù)值模擬時,對比實際粘度和虛擬粘度時噴水推進器在Fr=0.431航速下,實泵轉(zhuǎn)速為263r/min下性能的差別;相對實尺度雷諾數(shù)下計算值,模型雷諾數(shù)下計算得到噴水推進器流量偏低5.6%,推力偏低4.7%,軸功率偏大4.9%.這是由船底流場及模型泵性能的尺度效應(yīng)造成的:模型雷諾數(shù)下船底的邊界層相對較厚,所以噴水推進器進口速度較低,導(dǎo)致流量降低;由前文可知,受尺度效應(yīng)的影響,與實尺雷諾數(shù)泵相比,模型泵的揚程偏低,軸功率偏大.4雷諾數(shù)相似模型的尺度計算1)雷諾數(shù)相似船模方法預(yù)報實船阻力與船模試驗外推值在Fr=0.15~0.41三個航速下差別在5%以內(nèi),其流場預(yù)報結(jié)果與實尺度計算值吻合較好.2)對于縮尺比為1/30的模型泵,雷諾數(shù)差別導(dǎo)致的尺度效應(yīng)最多可能使模型泵效率低17%,通過調(diào)整流體粘度系數(shù)實現(xiàn)