cfd方法在船模試驗中的應(yīng)用

cfd方法在船模試驗中的應(yīng)用

水流導(dǎo)數(shù)是指選擇船舶的特定運動狀態(tài)（通常是均勻直線運行，u.0u.v）u.0u=v=r=0）。每個方程式（u、v、r等）都會對x力、y力和n力產(chǎn)生偏差。船舶在靜水中作自由機動時,船體所受的水動力可以看作是水動力導(dǎo)數(shù)和船舶相應(yīng)運動量計算結(jié)果的組合。求取水動力導(dǎo)數(shù)有多種方法,拘束船模試驗是目前應(yīng)用最為廣泛的一種。其主要有2個優(yōu)點:一是拘束船模試驗,這是到目前為止惟一一種可靠的、能夠獲得比較精確的船舶水動力導(dǎo)數(shù)的方法。二是拘束船模試驗得到的水動力導(dǎo)數(shù)無因次值,可直接用于實船。日本的野本謙作和第十四屆國際拖曳水池會議通過大量實驗數(shù)據(jù)分析后得出,當船模大于一定尺度時(如4～5m),船模試驗得到的水動力導(dǎo)數(shù)幾乎不受尺度效應(yīng)的影響。此結(jié)論已成為船舶水動力學界的共識。拘束船模試驗可分為以下幾種:直線拖曳試驗、旋臂試驗、平面運動機構(gòu)試驗。直線拖曳試驗主要用于測定船模的位置導(dǎo)數(shù)、控制導(dǎo)數(shù)以及與v,δ相關(guān)的高階導(dǎo)數(shù)和耦合導(dǎo)數(shù);旋臂試驗主要用于測定回轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)Yr,Nr以及和v,δ,r相關(guān)的高階導(dǎo)數(shù)和耦合導(dǎo)數(shù)。平面運動機構(gòu)的優(yōu)點是除了可以實現(xiàn)上述裝置的功能外,還可以測定加速度導(dǎo)數(shù),其典型的運動方式有:純橫蕩主要用于測定線加速度導(dǎo)數(shù)Yv˙Yv˙和Nv˙Νv˙;純首搖主要用于測定角加速度導(dǎo)數(shù)Yr˙Yr˙和Nr˙Νr˙。近10年來,隨著流體力學粘性流理論的不斷發(fā)展和計算機速度和容量的迅猛提高,CFD(計算流體力學)方法已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。在船舶快速性方面,已經(jīng)能夠采用粘性流方法精確地預(yù)報船舶直航情況下的粘性阻力。在船舶操縱性方面,粘性流方法的應(yīng)用研究也已展開,并且成為國際船舶水動力預(yù)報的熱點和前沿課題,利用CFD方法求取各個水動力導(dǎo)數(shù),也成為操縱性CFD的重要目標之一。到目前為止,國內(nèi)操縱性CFD的研究多限于直航或固定漂角斜航的研究,對于船模的旋臂試驗和平面運動機構(gòu)試驗的數(shù)值模擬研究則較少。本文利用CFD方法對船模的旋臂試驗和純橫蕩試驗進行了數(shù)值模擬,取得了初步的成果,可供以后進行拘束船模試驗的CFD方法研究借鑒。1純水平運動測試的數(shù)值模擬1.1船模橫向位移測力試驗純橫蕩運動是平面運動機構(gòu)(PMM)可以實現(xiàn)的典型運動方式之一。如圖1所示,純橫蕩水池中船模沿水池中心線勻速運動的同時,疊加一個橫向位移。y=y0sinωt,相應(yīng)的v=y˙=y0ωcosωtv=y˙=y0ωcosωt。由于船模的中心線始終和船池中心線平行,即首向不變,則φ=φ˙=r=0φ=φ˙=r=0。如圖2所示,若將試驗中的船?？醋魇庆o止的,則作用于船模上的水流可以分解為2個分量:一是沿船模X負方向的水流Fx,大小和船模的試驗速度相等;二是沿船模Y方向的水流Fy,速度大小隨時間呈正弦(或余弦)變化,為v=y0ωcosωt。通過模擬2個方向上的水流分量,可以求得船模在做純橫蕩運動時的橫向受力Y和力矩N。經(jīng)式(1)和式(2)可求得位置導(dǎo)數(shù)Yv˙?Yv?Nv˙?NvYv˙?Yv?Νv˙?Νv。Yv˙=Y0sinφyaω?Yv˙=Y0cosφyaω2+m?(1)Nv˙=N0sinφnaω?Nv˙=N0cosφnaω2+mxG。(2)Yv˙=Y0sinφyaω?Yv˙=Y0cosφyaω2+m?(1)Νv˙=Ν0sinφnaω?Νv˙=Ν0cosφnaω2+mxG。(2)式中:Y0,N0為測得的Y方向力和力矩的幅值;φy,φn為Y方向力和力矩與橫向位移之間的相位差;a為橫向位移的幅值;ω為橫向位移的角頻率;m為船模質(zhì)量;xG為船模重心的x坐標。1.2船模速度和壁面速度設(shè)定,u計算域如圖3所示,將邊界條件設(shè)置如下:1)water-in和water-left作為進流面,設(shè)置為速度入口,2個方向的速度為:u=?u0?v=y0sinωt。u=-u0?v=y0sinωt。其中,u0為船模速度;y0為船模橫蕩幅度;ω為船模橫蕩的角速度。2)water-out和water-right作為出流面,設(shè)置條件為壓力出口。3)hull設(shè)置為無滑移的壁面。4)water-up設(shè)置為有滑移的壁面。1.3速度入口邊界由于速度入口Y方向的速度是呈正弦變化的,前半個周期速度v>0,后半個周期v<0。當v>0時,水流方向在船舶坐標系中是沿Y的正向的,即由water-left流入,由water-right流出,這時將water-left設(shè)置為速度入口是合理的。但是當v<0,即水流由water-right流入,由water-left流出時,這時的water-right應(yīng)設(shè)置為速度入口邊界,而water-left應(yīng)為壓力出口邊界。所以,當v<0時邊界條件設(shè)置是不合理的,這時得到的船模Y方向受力也是不合理的。但是通過記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),雖然v<0時的流場是不合理的,但是在多個周期內(nèi)v>0區(qū)間內(nèi)船模Y方向的受力是穩(wěn)定的,由此判斷,v<0時間段內(nèi)不合理的流場對v>0時合理值的影響是小量,因此v>0時,船模Y方向的受力是可信的。為了得到一個周期內(nèi)的合理數(shù)值,我們改變邊界條件的設(shè)置,將water-right設(shè)置為速度入口,而將water-left設(shè)置為壓力出口,其他條件保持不變,可以得到v<0時的合理值,這樣就可以得到整個周期內(nèi)的受力。2旋轉(zhuǎn)臂試驗的數(shù)值模擬2.1cfd的旋臂試驗實現(xiàn)方法如圖4所示,旋臂試驗在圓形水池中進行。其中心處的中心島上伸出一旋臂,船模重心或其船中部固定在沿旋臂的一定位置上,距旋臂轉(zhuǎn)動中心的半徑為R,船模的中縱剖面與半徑為R的圓的切線方向可安裝成任意夾角β。實驗時,令旋臂以一定回轉(zhuǎn)速度運動,并強迫船模作一定半徑、一定漂角、一定舵角的定?；剞D(zhuǎn)運動。通過安裝于船模上的測量裝置,可以測得該狀態(tài)相應(yīng)的流體動力Y和N。為求解船模的線性回轉(zhuǎn)水動力導(dǎo)數(shù)YrNr,可將模型分別安裝于旋臂的不同半徑處(R1,R2,R3,…),并保持同樣的線速度u1(該值可相應(yīng)于實船弗勞德數(shù)Fr而確定)做定?；剞D(zhuǎn),則各個半徑處相應(yīng)于不同的回轉(zhuǎn)角速度r1,r2,r3,…。測得不同角速度下的力和力矩為:Y(r1),Y(r2),Y(r3),…,N(r1),N(r2),N(r3),…。由Y,N與r之間的對應(yīng)關(guān)系,繪制成曲線,則r=0處曲線的斜率即為Yr,Nr。下面以無漂角、無舵角旋臂試驗為例,討論CFD的旋臂試驗實現(xiàn)方法。當船模在某一半徑處以線速度u1、角速度r順時針運動時,可以看作是2個運動的疊加:一是船模保持船首向不變,以角速度r作順時針旋轉(zhuǎn),如圖5(a)所示;二是船模以相同的角速度繞其幾何中心轉(zhuǎn)動,如圖5(b)所示,2個運動疊加則可以合成船模無漂角的旋臂運動。若是有漂角β,則2個運動之間需要有一個相位差,大小亦為β。第一個運動又可看作是船模不動,水流流速不變,但方向以設(shè)定角速度大小,逆時針變化。分解到XY方向上,就是u,v的大小分別呈余弦和正弦變化,如圖6所示。這樣就可以通過邊界條件的設(shè)置來模擬作用于船模上變化的水流。第二個運動可直接模擬。2.2試驗結(jié)構(gòu)和設(shè)置條件計算域如圖7所示。邊界條件和初始條件設(shè)置如下:1)water-in和water-right作為進流面,設(shè)置為速度入口,2個方向的速度為:u=-u0cosrt,v=-u0sinrt。其中,u0為船模速度;r為船模橫蕩的角速度。這樣可以實現(xiàn)旋臂試驗的分解運動一。2)water-out和water-left作為出流面,設(shè)置條件為壓力出口。3)hull設(shè)置為無滑移的壁面。4)water-up1和water-up2設(shè)置為有滑移的壁面。5)water-side和water-bottom設(shè)置為內(nèi)流。6)初始化時要設(shè)定C2中的流場隨時間作勻速轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動中心坐標為(0,0,0)(船模的幾何中心),轉(zhuǎn)動軸為Z軸,角速度大小為-r(方向符合右手定則),實現(xiàn)對運動二的模擬。2.3y方向上的受力假設(shè)旋臂運動為順時針方向,速度入口邊界X和Y方向的速度分別為u=-u0cosrt,v=-u0sinrt。則在速度變化的前1/4周期,u<0、v<0時,水流2個分量的方向在船舶坐標系中是X和Y的負向,這時將water-in和water-right設(shè)置為速度入口是合理的。但是1/4周期過后,u>0、v<0,這時采用原來的入口條件就不合理了?？傊?船模Y方向上的受力只有在前1/4周期,數(shù)值是合理的。通過對Y方向受力的數(shù)值記錄進行分析得出,雖然1個周期內(nèi)后3/4個周期的邊界設(shè)置是不合理的,但計算出的流場對下1個周期前1/4周期的影響是很小的,也就是說,前1/4周期的數(shù)值是可信的。這樣繼續(xù)根據(jù)u,v的變化情況,合理設(shè)置對應(yīng)條件下的邊界條件,接續(xù)起來,就可以得到1個周期內(nèi)的合理數(shù)值。3計算對某型艦的純橫蕩試驗進行數(shù)值模擬。3.1水線寬度及正常劑量該艦?zāi)閹虮鞘啄撑災(zāi)Ｐ?。設(shè)計水線長L=4.2m;設(shè)計水線寬B=0.4617m;正常排水量平均吃水d=0.135m;方型系數(shù)Cb=0.4942;船模質(zhì)量m=13.805kg。3.2面積計算采用圖3所示計算域,計算域的尺度以船長L為單位。域長3L;域?qū)扡;域深L,以此為半徑,得半圓柱形自由面下計算域。3.3網(wǎng)格生成采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,網(wǎng)格尺度:船體表面最小1cm,最大24cm,放大率1.5,網(wǎng)格數(shù)為471364,無扭曲網(wǎng)格。3.4流量模型采用標準κ-ε(湍動能-耗散率)兩方程模型,取值如下:κ=0.0225,ε=0.00792。3.5邊境條件設(shè)定純橫蕩試驗橫向位移的幅值為1.3m,角速度為29°/s,各邊界條件設(shè)置如表1所示。3.6計算計算時間76.8s,通過對Y方向力的變化過程進行記錄,得到Y(jié)力穩(wěn)定后幾個最大值出現(xiàn)的時間T(s)和幅值Y0如表2所示。3.7水池試驗結(jié)果計算步驟如下:①取5個峰值時的Y0值并求其均值,作為橫向力的幅值,求得Y0=92.41N;②通過讀取數(shù)據(jù)得到Y(jié)力和位移之間的相位差為-56.36°;③由設(shè)定的邊界條件知a