基于cfd的汽車運(yùn)輸滾裝船阻力性能研究

基于cfd的汽車運(yùn)輸滾裝船阻力性能研究

0貨艙利用率低滾船是在開發(fā)和運(yùn)輸商業(yè)大門時(shí)發(fā)展起來的一艘四層船舶。滾裝船具有裝卸效率高,對(duì)碼頭要求低,裝卸費(fèi)用低,機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)又存在著船舶造價(jià)高,貨艙有效利用率低,貨物裝運(yùn)量少等缺點(diǎn)。汽車運(yùn)輸滾裝船PCTC(PureCarTruckCarrier)是一種大型的專門用于運(yùn)輸各種類型汽車的滾裝船,它的甲板層數(shù)較多,其貨艙如一大型停車場(chǎng),大部分用于停放小汽車,少量裝運(yùn)大型汽車。本文的研究對(duì)象“2500車滾裝船”就是一種典型的汽車運(yùn)輸滾裝船,對(duì)其阻力性能的研究分析將為我國滾裝船的研制設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。125球鼻首的tp-sv型球鼻2500車滾裝船主要尺度參數(shù)見表1,首尾橫剖型線圖如圖1所示。該船采用的是SV型球鼻首,這樣可以兼顧滿載和壓載狀態(tài)的阻力性能。其前體的橫剖面面積曲線略呈S形,在進(jìn)流段處較瘦削。船的前體比后體長,最大橫剖面位于船舯后第9站位置。2試驗(yàn)結(jié)果及分析船模試驗(yàn)是研究船舶阻力性能的主要方法。因此,為了獲得2500車滾裝船線型的阻力性能而進(jìn)行了船模阻力試驗(yàn)。試驗(yàn)在上海交通大學(xué)船模試驗(yàn)池完成,縮尺比為27.45,試驗(yàn)時(shí)水溫11.6℃。本次試驗(yàn)結(jié)果分別采用傅汝德法和三因次法兩種方法進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)傅汝德法換算得到實(shí)船的總阻力或有效功率值,而三因次法則用以從試驗(yàn)結(jié)果中分解出興波阻力值。試驗(yàn)條件見表2。對(duì)應(yīng)實(shí)船Vs=9～20kn的速度拖曳船模,測(cè)得船模在不同航速下的阻力值。根據(jù)傅汝德法從船模阻力換算得到實(shí)船的總阻力或有效功率值,其中摩擦阻力換算公式采用1957ITTC公式,取ΔCf=0.35×10-3。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果得到的剩余阻力系數(shù)曲線和實(shí)船有效功率曲線分別見圖2和圖3。3cfd方法的應(yīng)用除了船模試驗(yàn)以外,還有另一種船舶性能的研究方法——計(jì)算流體力學(xué)方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,船舶CFD(ComputationalFluidDynamics)在近20年有了顯著的進(jìn)展,并逐漸用于生產(chǎn)實(shí)踐。雖然限于當(dāng)前的理論水平和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度,CFD方法離精確預(yù)報(bào)船舶的流體動(dòng)力性能還有很大的差距。但是,CFD計(jì)算的結(jié)果仍然具有相對(duì)比較的精度,而且它能得到比模型試驗(yàn)更多的流場(chǎng)信息,這在多方案優(yōu)選和單目標(biāo)優(yōu)化中具有很大的意義。為此,采用船舶CFD方法預(yù)報(bào)2500車滾裝船的阻力性能及船體周圍的流場(chǎng)特性,以獲得更多的信息來深入研究本船的快速性能。本文所采用的船舶CFD專業(yè)計(jì)算軟件為SHIPFLOW系統(tǒng)。3.1無粘結(jié)計(jì)算方法文中采用的CFD計(jì)算軟件是FLOWTECHInternational公司的SHIPFLOW軟件系統(tǒng)。它的最初版本是在瑞典SSPA和Chalmers科技大學(xué)80年代相關(guān)研究的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。SHIPFLOW程序既包含了無粘性計(jì)算方法也包括粘性計(jì)算方法,且應(yīng)用廣泛。無粘性計(jì)算部分可以解決完全非線性問題。而對(duì)于粘性計(jì)算部分,船的前體的流動(dòng)通過邊界層理論計(jì)算,后體的流動(dòng)則通過RANS(Reynolds-averagedNavier-Stokes)方程來解。3.2增廣lans方法SHIPFLOW系統(tǒng)的基本原則是將流場(chǎng)劃分為3個(gè)區(qū)域(如圖4),以取得有效的流動(dòng)方程近似。其區(qū)域劃分及每個(gè)區(qū)域使用的CFD方法是:1)勢(shì)流區(qū)。使用基于Dawson方法的二階面元法計(jì)算勢(shì)流,但通過迭代方法能精確地滿足自由液面的邊界條件。Dawson方法其實(shí)是在疊模繞流基礎(chǔ)上慢船條件下的線性化理論。SHIPFLOW系統(tǒng)的勢(shì)流方法比疊模線性化還要深入一步。在獲得線性解后并沒有結(jié)束計(jì)算,而是通過迭代不斷重復(fù)這個(gè)過程,直到迭代收斂就可以得到完全非線性解。2)薄邊界層區(qū)。使用邊界層方法計(jì)算船體前部及中部的邊界層,該方法基于積分法。積分法依據(jù)的是動(dòng)量的微分方程沿邊界層厚度上的積分,使用勢(shì)流壓力分布作為輸入?yún)?shù)。計(jì)算既能從駐點(diǎn)開始(此時(shí)先計(jì)算層流再計(jì)算過渡流),也可直接從給定站開始解湍流方程。通過船體邊界層的計(jì)算,可以得到前部2/3的船體上的摩擦阻力。3)湍流區(qū)域。使用雷諾平均的N-S方程求解。在直角坐標(biāo)系中不可壓縮流體的RANS可寫成:?Ui?t+Uj?Ui?xj=fi?1ρ?P?xi+??xj(υ?Ui?xj?uiujˉˉˉˉˉˉ)i,j=1,2,3?Ui?t+Uj?Ui?xj=fi-1ρ?Ρ?xi+??xj(υ?Ui?xj-uiujˉ)i,j=1,2,3?Uj?xj=0?Uj?xj=0式中:Ui是時(shí)均速度分量;p是壓強(qiáng);fi是質(zhì)量力分量;ρ是流體密度;υ是流體的動(dòng)力粘性系數(shù);ui是相對(duì)于時(shí)均流速的湍流脈動(dòng)速度分量;?uiujˉˉˉˉˉˉ-uiujˉ稱為雷諾應(yīng)力。在泊松方程生成的貼體坐標(biāo)系中求解,流動(dòng)方程也完全轉(zhuǎn)換到該坐標(biāo)系。數(shù)值方法采用有限差分法,壓力和速度耦合采用SIMPLE算法,使用壁面函數(shù)和K-ε兩方程湍流模式。RANS方程解的邊界條件由前面的勢(shì)流和邊界層計(jì)算獲得。關(guān)于SHIPFLOW基本理論的更詳細(xì)的介紹,可以參閱文獻(xiàn)。425船模拖航試驗(yàn)結(jié)果由SHIPFLOW軟件完成具體數(shù)值計(jì)算,得到2500車滾裝船的CFD計(jì)算數(shù)值結(jié)果。文中數(shù)值計(jì)算的對(duì)象是模型,尺度與船模拖航試驗(yàn)的模型對(duì)應(yīng),其計(jì)算結(jié)果包括:波浪/粘性阻力、升力/誘導(dǎo)阻力、名義伴流、升沉和縱傾、波形、壓力分布、速度向量、流線等。下面給出部分?jǐn)?shù)值結(jié)果,并將阻力計(jì)算結(jié)果與本船的模型阻力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,以研究CFD計(jì)算方法的可行性和實(shí)用性。4.1設(shè)計(jì)變剛度的方法船舶CFD的最重要的應(yīng)用就是從勢(shì)流解求得波形,并基于波形和壓力分布來優(yōu)化船舶的前體設(shè)計(jì)。利用比較各設(shè)計(jì)方案的波形,有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者可以判斷哪一個(gè)設(shè)計(jì)方案的興波阻力較小。再進(jìn)一步,利用波形和船體表面壓力分布可以啟示設(shè)計(jì)者如何改進(jìn)船型,以獲得較好的性能。對(duì)于滾裝船線型的計(jì)算,這里給出勢(shì)流非線性自由面邊界條件求解得到的波形(Fn=0.244),見圖5和圖6,h為波高。4.2抗阻效應(yīng)分析1阻力性能將CFD應(yīng)用于船舶的另一個(gè)目的是預(yù)測(cè)船舶的阻力性能。經(jīng)SHIPFLOW軟件計(jì)算得到對(duì)應(yīng)實(shí)船航速Vs=14～20kn下的模型阻力計(jì)算結(jié)果見表3。2興波阻力的計(jì)算方法根據(jù)表3和模型試驗(yàn)得到的阻力結(jié)果,將SHIPFLOW理論計(jì)算的模型總阻力系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果的總阻力系數(shù)進(jìn)行比較,兩者之間的關(guān)系見表4和圖7。圖8是理論計(jì)算得到的興波阻力系數(shù)與試驗(yàn)得到的數(shù)值之間的比較。由表4和圖7可見,理論預(yù)測(cè)得到的模型總阻力系數(shù)數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值相比誤差較小,兩者誤差在5%以內(nèi)。因此,SHIPFLOW程序計(jì)算方法對(duì)于估算2500車滾裝船的總阻力具有一定的準(zhǔn)確性,可以為滾裝船的線型方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖8中用于比較的試驗(yàn)資料是利用(1+k)法(基于Prohaska方法確定形狀因子)得到的興波阻力系數(shù)。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的絕對(duì)數(shù)值相差較大,但是兩者在Fn>0.24區(qū)域的變化趨勢(shì)很相似,可見較高速時(shí)的興波阻力計(jì)算值還是具有相對(duì)的準(zhǔn)確度的。4.3摩擦學(xué)性能指導(dǎo)下力船舶尾部流場(chǎng)的預(yù)測(cè)也是船舶設(shè)計(jì)者很關(guān)心的一個(gè)方面,因?yàn)檫@是改善船體粘性阻力性能和螺旋槳盤面處標(biāo)稱伴流分布的重要信息。利用RANS方法SHIPFLOW可以預(yù)測(cè)伴流中的軸向速度等高線、流體速度矢量等。圖9中給出了本船在X/LPP=0.025位置處伴流的軸向速度等高線(Fn=0.244)。5cfd與模型基于本文中2500車滾裝船的CFD應(yīng)用研究,可以得到以下結(jié)論:①計(jì)算流體力學(xué)逐漸成為了試驗(yàn)的一種輔助手段,它可以提供豐富的流場(chǎng)信息,這是模型試驗(yàn)所不能比擬的。但是它的絕對(duì)精度還是遠(yuǎn)低于模型試驗(yàn),所以不可能完全替代試驗(yàn)。但這兩者可互為補(bǔ)充、相互驗(yàn)證,設(shè)計(jì)者從中能充分提取有效信息,應(yīng)該是目前可以提高設(shè)計(jì)水平的好方法。②目前船舶CFD的應(yīng)用還有局限性,至今大部分程序還只能對(duì)模型(Rn=106～107)的阻力性能進(jìn)行預(yù)報(bào)。本文中也是計(jì)算了模型尺度的阻力,而對(duì)于實(shí)船(Rn=108～109)阻力性能的預(yù)報(bào)還存在困難。另外,對(duì)于后