cfd標(biāo)模kcs自航因子預(yù)報(bào)研究

cfd標(biāo)模kcs自航因子預(yù)報(bào)研究

1船舶水動(dòng)力性能數(shù)值模擬技術(shù)近年來，fd（復(fù)合探針iiid）技術(shù)的快速開發(fā)和計(jì)算機(jī)硬件性能的迅速提高，以fd技術(shù)為核心的虛擬試驗(yàn)技術(shù)在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用日益普遍。以當(dāng)今美國(guó)航空航天領(lǐng)域?yàn)槔?CFD約占飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)工作量的70%,而風(fēng)洞試驗(yàn)僅占30%。在船舶水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域,2004年,由德國(guó)HSVA牽頭,荷蘭MARIN、瑞典SSPA等國(guó)際著名水池聯(lián)合發(fā)起了虛擬試驗(yàn)水池VIRTUE(TheVirtualTankUtilityinEurope)計(jì)劃,擬合作開發(fā)一套可靠的船舶水動(dòng)力性能數(shù)值模擬技術(shù),即虛擬水池技術(shù),以極大提高歐洲船舶制造和船舶設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)力,增強(qiáng)歐洲水動(dòng)力學(xué)服務(wù)供應(yīng)機(jī)構(gòu)提供服務(wù)的范圍和質(zhì)量以及其研發(fā)能力。國(guó)內(nèi)船舶水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域?qū)τ谔摂M水池試驗(yàn)技術(shù)也十分關(guān)注,相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作,在很多方面都取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展,其中現(xiàn)階段以船舶快速性虛擬水池試驗(yàn)技術(shù)受到的關(guān)注最多,發(fā)展也相對(duì)成熟。船舶快速性三大試驗(yàn)中:船模阻力數(shù)值計(jì)算精度滿足工程要求,已在船舶設(shè)計(jì)優(yōu)化中得到應(yīng)用;螺旋槳敞水水動(dòng)力數(shù)值預(yù)報(bào)也達(dá)到了相當(dāng)高的工程實(shí)用精度,并獲得了較多的工程化應(yīng)用;船模自航數(shù)值模擬技術(shù)也取得了較大進(jìn)展。由此可見,基于CFD的船舶快速性能預(yù)報(bào)所需的必要條件已基本具備,而自航因子的預(yù)報(bào)則是船舶航速/功率性能預(yù)報(bào)的重要環(huán)節(jié)。由于水面船自航模擬的難度和計(jì)算量都很大,對(duì)于自航因子的CFD預(yù)報(bào),國(guó)際上目前使用較多的是RANS/勢(shì)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(jì)算得到的流場(chǎng)作為輸入,采用升力線(面)等勢(shì)流方法計(jì)算螺旋槳的推力、扭矩;如此反復(fù)迭代得到自航點(diǎn)及自航因子。本文采用類似于模型試驗(yàn)的等車速變轉(zhuǎn)速的方法,針對(duì)國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)船模KCS,進(jìn)行自航因子的CFD分析、預(yù)報(bào),并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(yù)報(bào)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(dòng)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(chǎng)中流體流動(dòng)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(xué)模型的控制方程包括:連續(xù)性方程、體積分?jǐn)?shù)方程、動(dòng)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(jì)算不可壓縮流體流動(dòng)的連續(xù)性方程為:對(duì)于水面船自由面繞流問題這種兩相流,水與空氣的質(zhì)量都應(yīng)該是守恒的。由于流體的不可壓縮性,可以用體積分?jǐn)?shù)寫為:計(jì)算區(qū)域內(nèi)的每個(gè)控制體積都由水和/或空氣充滿,它們的體積分?jǐn)?shù)之和應(yīng)為1,即:其中α表示體積分?jǐn)?shù),下標(biāo)a和w分別代表空氣和水。兩相流同樣要滿足動(dòng)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(guān)文獻(xiàn)。2.2階風(fēng)壓項(xiàng)目的差分格式控制方程使用有限體積法(FiniteVolumeMethod,FVM)離散,其中對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式,擴(kuò)散項(xiàng)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(wǎng)格(Multigrid)技術(shù)加速收斂。3計(jì)算對(duì)象的總結(jié)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(jì)算船模阻力值的方法4.1有限元單元?jiǎng)澐钟捎谧枇τ?jì)算問題具有對(duì)稱性,因而在數(shù)值模擬時(shí)只需計(jì)算一半?yún)^(qū)域。計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)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(cè)邊界—模型側(cè)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(duì)稱面—模型中縱剖面的延展面;(g)船模表面。計(jì)算中使用的網(wǎng)格為H-O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(縱向H型、橫向O型,如圖1所示)。網(wǎng)格劃分的基本原則為:船模首部和尾部網(wǎng)格適當(dāng)加密,中部網(wǎng)格較為稀疏;在模型表面附近網(wǎng)格加密,其中第一層網(wǎng)格間距根據(jù)y+確定(y+平均約為50~100);自由表面附近網(wǎng)格也適當(dāng)加密。圖2則給出了船模表面網(wǎng)格劃分。4.2壓力分布自由面設(shè)置數(shù)值模擬中,邊界條件的具體設(shè)置如下:(a)在入口邊界上,根據(jù)船模運(yùn)動(dòng)速度和自由面位置,給定入口流動(dòng)速度以及水和空氣的體積分?jǐn)?shù);(b)出口邊界距離船模足夠遠(yuǎn),其壓力分布設(shè)置為靜水壓力;(c)在船模表面,引入標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);(d)在對(duì)稱面上,滿足對(duì)稱條件。以均勻流場(chǎng)作為數(shù)值計(jì)算的初始條件。4.3船模阻力和剩余阻力結(jié)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)。總阻力系數(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(jì)算相當(dāng)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(yàn)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(duì)應(yīng)實(shí)船航速24kns。數(shù)值計(jì)算的船模阻力與阻力系數(shù)列于表3中,表中同時(shí)給出了模型試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出,在此工況下,本文數(shù)值計(jì)算的船模阻力/阻力系數(shù)與模型試驗(yàn)結(jié)果十分接近,二者之間的差別不超過1%。5旋轉(zhuǎn)條件設(shè)計(jì)采用滑移網(wǎng)格方法,進(jìn)行螺旋槳敞水試驗(yàn)數(shù)值模擬。數(shù)值模擬中,螺旋槳的運(yùn)轉(zhuǎn)條件設(shè)為:轉(zhuǎn)速n為50rps(轉(zhuǎn)速雷諾數(shù)為3.125×106),進(jìn)速系數(shù)的范圍為0.1~0.9,進(jìn)速系數(shù)J的變化由進(jìn)速VA增大或減小來實(shí)現(xiàn),而轉(zhuǎn)速n保持不變。5.1d處不穩(wěn)定區(qū)域螺旋槳敞水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算區(qū)域的邊界包括以下幾個(gè)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(cè)邊界—螺旋槳側(cè)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(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,外圍則使用H-O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格之間通過交界面搭接。5.2槳槳進(jìn)速控制數(shù)值模擬中,邊界條件的具體設(shè)置如下:(a)在入口邊界上,根據(jù)螺旋槳進(jìn)速,給定來流速度;(b)出口邊界距離螺旋槳足夠遠(yuǎn),設(shè)置壓力出口;(c)在轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域,設(shè)定螺旋槳轉(zhuǎn)速和方向;(d)在螺旋槳及槳轂表面,引入標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。同樣以均勻流場(chǎng)作為數(shù)值計(jì)算的初始條件。5.3模型試驗(yàn)的比較結(jié)果處理中,進(jìn)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(jìn)速,T為推力,Q為扭矩,ρ為密度,n為轉(zhuǎn)速。圖3給出了螺旋槳敞水性能曲線的計(jì)算試驗(yàn)比較。由計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)的比較可知:對(duì)于推力系數(shù),進(jìn)速系數(shù)J在0.3~0.8范圍內(nèi)預(yù)報(bào)效果較好,誤差在3%之內(nèi),進(jìn)速系數(shù)過小或過大時(shí)預(yù)報(bào)效果略差;對(duì)于扭矩系數(shù),在數(shù)值計(jì)算的進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi),除個(gè)別點(diǎn)外,誤差基本都在3%左右之內(nèi);而對(duì)于敞水效率,誤差都在3%之內(nèi)。由此可見,本文使用的數(shù)值模擬方法能夠較好地預(yù)報(bào)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(dāng)耗時(shí),因而要盡量控制網(wǎng)格單元數(shù)量,螺旋槳附近的網(wǎng)格單元數(shù)量不可太多,對(duì)應(yīng)的敞水計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量也相對(duì)較少,由此導(dǎo)致某些工況下的預(yù)報(bào)結(jié)果存在一定誤差。6數(shù)值自航試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于單槳水面船自航的數(shù)值模擬,由于問題不再具有對(duì)稱性,因而需要進(jìn)行整船計(jì)算。計(jì)算區(qū)域的范圍與阻力數(shù)值計(jì)算的一樣,只是對(duì)稱面不復(fù)存在。螺旋槳及其附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分與敞水?dāng)?shù)值模擬的一樣;其他部分的區(qū)域都采用H-O型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分與阻力數(shù)值計(jì)算的相同;結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格之間、轉(zhuǎn)動(dòng)與非轉(zhuǎn)動(dòng)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(wǎng)格劃分。數(shù)值模擬中的邊界條件設(shè)置參照船模阻力計(jì)算和螺旋槳敞水模擬;同樣以均勻流場(chǎng)作為數(shù)值計(jì)算的初始條件。參考水面船自航模型試驗(yàn)方法,采用類似于模型試驗(yàn)的等車速變轉(zhuǎn)速的方法,進(jìn)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(diǎn),預(yù)估一自航點(diǎn);(2)在預(yù)估的自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速Nm0及其前后適當(dāng)范圍各取一點(diǎn)Nm1和Nm2(應(yīng)該保證實(shí)際的自航點(diǎn)在此范圍之內(nèi)),進(jìn)行自航的數(shù)值模擬;(3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,可以得到強(qiáng)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(diǎn);(4)繪制數(shù)值自航試驗(yàn)曲線,計(jì)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(shí)效伴流分?jǐn)?shù)和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率分別為:(6)配以阻力試驗(yàn)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(jìn)效率分別為:其中,為自航狀態(tài)下的船模阻力,是為補(bǔ)償模型與實(shí)船摩擦阻力系數(shù)之間差別的自航修正。對(duì)于則可計(jì)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(yàn)中一樣,船模是全約束的,速度為2.197m/s(Fr=0.26),預(yù)估自航點(diǎn)螺旋槳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下螺旋槳推力、扭矩、船模阻力、強(qiáng)制力等列于表4中;圖5則給出了數(shù)值自航試驗(yàn)曲線。由Z=Ra,在數(shù)值自航試驗(yàn)曲線上,通過插值可得自航點(diǎn)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(shí)效伴流分?jǐn)?shù)wm=0.216,相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率ηR=1.004。配以阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過計(jì)算可得推力減額系數(shù)tm=0.169。則船身效率和總推進(jìn)效率分別為:ηH=1.060,ηD=0.700。通過數(shù)值模擬結(jié)果分析得到的自航因子列于表5中,表中同時(shí)給出了模型試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析得到的自航因子與模型試驗(yàn)結(jié)果總體上符合較好。7cfd對(duì)實(shí)船功率/通航預(yù)報(bào)的啟示根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果及其分析,可以看出:(a)在文中的計(jì)算工況下,KCS船