船槳整體流場的數(shù)值模擬

船槳整體流場的數(shù)值模擬

為了預(yù)測船只在實(shí)際船型中的性能，通常需要進(jìn)行三種測試：船模阻力試驗(yàn)、螺旋槳開放式試驗(yàn)和固定船模型自航行試驗(yàn)。船模自航試驗(yàn)可獲得螺旋槳與船體之間的相互作用諸因素,如伴流分?jǐn)?shù)、推力減額分?jǐn)?shù)以及其他相互作用系數(shù),是分析研究推進(jìn)效率成分的重要手段。近20年來,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,船舶計(jì)算流體力學(xué)(SCFD)得到了蓬勃發(fā)展并日益普及。船模數(shù)值水池的建設(shè)已成為當(dāng)前世界造船大國和造船強(qiáng)國水動(dòng)力學(xué)技術(shù)發(fā)展的重大目標(biāo)和方向之一。數(shù)值水池的重要基礎(chǔ)是CFD技術(shù),即應(yīng)用CFD方法進(jìn)行船舶流動(dòng)數(shù)值模擬,實(shí)現(xiàn)船舶水動(dòng)力學(xué)性能的數(shù)值計(jì)算與預(yù)報(bào)。數(shù)值水池船舶阻力與螺旋槳敞水性能計(jì)算發(fā)展較早,數(shù)值計(jì)算結(jié)果已達(dá)到較高的精度。數(shù)值水池自航試驗(yàn)研究需實(shí)現(xiàn)螺旋槳與船體的整體求解,目前船/槳整體求解對螺旋槳的處理大多采用力場模擬方法、觸動(dòng)盤模型和周向平均的混合面方法。這些方法都沒有將真實(shí)的螺旋槳安裝在船后計(jì)算船-槳的相互作用,在船-槳相互干擾的非定常性上有明顯的不足。本文通過滑移網(wǎng)格技術(shù),同時(shí)考慮自由液面、真實(shí)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了船-槳的整體數(shù)值計(jì)算,總結(jié)了數(shù)值水池自航試驗(yàn)研究方法。模仿物理水池自航試驗(yàn),計(jì)算了伴流系數(shù)與自航因子等參數(shù)。1數(shù)值泳池自航試驗(yàn)方法1.1壁面函數(shù)模型數(shù)值水池的主要控制方程是NS方程和連續(xù)性方程。目前數(shù)值模擬方法主要有直接數(shù)值模擬方法、大渦模擬方法和雷諾時(shí)均方法。本文采用雷諾時(shí)均方法,即把湍流運(yùn)動(dòng)看作由2個(gè)流動(dòng)疊加而成,一是時(shí)間平均流動(dòng),二是瞬時(shí)脈動(dòng)流動(dòng)。求解的控制方程如下:?ui?xi=0?(1)?ui?xi=0?(1)??t(ρui)+??xj(ρujui)=??p?xi+??xj[(μ+μt)(?ui?xj+?uj?xi)]+fi。(2)??t(ρui)+??xj(ρujui)=-?p?xi+??xj[(μ+μt)(?ui?xj+?uj?xi)]+fi。(2)式中:fi為體積力;p為作用在流體上的壓力;ρ為水密度;μ為水的分子粘性系數(shù);μt為湍流動(dòng)力粘性系數(shù)。本文采用SST模型封閉方程組(1)和(2)等。在壁面區(qū),流動(dòng)情況變化很大,特別是在粘性底層,流動(dòng)幾乎為層流,湍流模型不能準(zhǔn)確求解這個(gè)區(qū)域內(nèi)的流動(dòng),采用壁面函數(shù)法解決這一問題。數(shù)值水池的模擬涉及水和空氣2種介質(zhì),水池上部為空氣,下部為水,在計(jì)算過程中采用VOF方法追蹤自由液面的波動(dòng)。1.2加摩擦阻力修正值為保證數(shù)值船模得到的自航點(diǎn)與實(shí)船相當(dāng),采用與物理水池船模自航試驗(yàn)相同的方法,即模型與實(shí)尺度滿足傅汝德數(shù)Fr及進(jìn)速系數(shù)J相同,通過施加摩擦阻力修正值實(shí)現(xiàn)實(shí)船阻力與模型阻力的三次方關(guān)系。數(shù)值自航船模在某一航速下的自航點(diǎn)處應(yīng)有:Rm=Tm+FD。(3)Rm=Τm+FD。(3)式中:Rm為阻力;Tm為推力;FD為摩擦阻力修正值。在既定航速下,船體阻力Rm和螺旋槳推力Tm都是只與螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)nm相關(guān)的函數(shù),通過變化自航船模的螺旋槳轉(zhuǎn)速nm可以得到Tm+FD隨nm的變化曲線和Rm隨nm的變化曲線,2條曲線的交點(diǎn)即為該航速下數(shù)值自航船模的自航點(diǎn)。1.3船模帶槳時(shí)的數(shù)值模型對于給定的船體線型和螺旋槳形狀,通過數(shù)值水池自航試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算自航因子步驟可概括如下:1)建立船模不帶槳時(shí)的數(shù)值模型,考慮自由液面,預(yù)報(bào)船體的阻力;2)建立船模帶槳工作時(shí)的數(shù)值模型,按照1.2節(jié)中所述方法確定數(shù)值自航船模的自航點(diǎn);3)提取步驟2)自航點(diǎn)的推力,與步驟1)得到的阻力計(jì)算自航船模的推力減額分?jǐn)?shù);4)通過對槳盤面速度分布積分得到伴流分?jǐn)?shù)。2計(jì)算示例2.1船/槳自航試驗(yàn)數(shù)值水池自航試驗(yàn)研究對象為某雙槳船,推進(jìn)器為2個(gè)調(diào)距槳,葉片數(shù)為5。物理水池自航試驗(yàn)的縮尺比為18,數(shù)值計(jì)算模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叨认嗤?。?槳整體數(shù)值計(jì)算采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,考慮船-槳相互作用主要集中在尾部,對尾部區(qū)域網(wǎng)格適當(dāng)加密。數(shù)值計(jì)算不考慮舵的影響。數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。整個(gè)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)約為315萬。2.2旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速影響因同時(shí)考慮自由液面與螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),需采用非定常計(jì)算。數(shù)值計(jì)算時(shí)間步長取為T0/100,T0為螺旋槳旋轉(zhuǎn)1周時(shí)間,即將螺旋槳旋轉(zhuǎn)1周分為100等份,每旋轉(zhuǎn)3.6°計(jì)算1次。螺旋槳旋轉(zhuǎn)域與靜止域通過滑移網(wǎng)格交界面連接。圖2為Fr=0.27船模自航點(diǎn)的確定過程。在既定航速下,隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速增加,推力增加;船后水流速度增加,引起船后壓力降低與壓阻力增加,但阻力增加幅度小于螺旋槳推力。Tm+FD與Rm的交點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為該航速下的自航點(diǎn)。圖3為數(shù)值計(jì)算自航轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)值的比較,數(shù)值計(jì)算結(jié)果最大誤差為5.4%。2.3軸向速度分布在船后工作的螺旋槳因受到船體的影響,進(jìn)入槳盤處的水流速度及其分布與敞水條件不同,進(jìn)流面各點(diǎn)處速度大小和方向皆不同。圖4為螺旋槳進(jìn)流方向?qū)嵭нM(jìn)流速度分布?？梢钥闯?因船底邊界層、支架的影響及2螺旋槳之間的相互作用,不同位置軸向速度明顯不同。為詳細(xì)分析船后槳伴流的不均勻性,取船后槳進(jìn)流面、槳盤面及出流面3個(gè)平面0.5R與0.7R半徑處軸向速度分布,如圖5所示?？拷w對稱面,即2螺旋槳之間區(qū)域軸向速度最小,船體外側(cè)軸向速度最大。進(jìn)流速度分布影響螺旋槳的負(fù)載。圖6為不同螺旋槳旋轉(zhuǎn)位置推力的變化情況。圖7為經(jīng)過傅立葉變換得到的頻域螺旋槳推力脈動(dòng)幅值,在螺旋槳軸頻、葉頻、2倍葉頻與3倍葉頻處存在明顯的推力峰值,其中軸頻最大,2倍葉頻次之。伴流分?jǐn)?shù)定義為:ω=(V?VA)/V。(4)ω=(V-VA)/V。(4)物理水池自航試驗(yàn)時(shí)可通過等推力法或等力矩法測得螺旋槳實(shí)效伴流,此時(shí)的伴流為平均量。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,可通過式(4)計(jì)算槳盤面的平均伴流系數(shù)。ω=∫2π0∫Rrhv(r?θ)?rdrdθ∫2π0∫Rrhrdrdθ。(5)ω=∫02π∫rhRv(r?θ)?rdrdθ∫02π∫rhRrdrdθ。(5)式中:R為螺旋槳半徑;rh為槳轂半徑。圖8為數(shù)值積分伴流與物理水池自航試驗(yàn)根據(jù)等推力法得到的伴流比較情況。圖9為數(shù)值計(jì)算的推力減額分?jǐn)?shù)與試驗(yàn)值比較情況。從比較情況可以看出,數(shù)值水池自航試驗(yàn)得到的自航因子與物理水池試驗(yàn)結(jié)果有一定的差別,但整體趨勢相同,表明本文采取的數(shù)值水池自航試驗(yàn)方法是可行的。3非力場模擬方法通過求解RANS方程,利用VOF方法追蹤自由液面,在數(shù)值水池實(shí)現(xiàn)了船模的自航試驗(yàn)研究。船/槳整體求解采用真實(shí)的螺旋槳幾何,而非力場模擬方