實(shí)船雷諾數(shù)相似船模的數(shù)值模擬

實(shí)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(shí)船雷諾數(shù)下驅(qū)動(dòng)的性能，可以將實(shí)際格柵分為、計(jì)算和計(jì)算。然而，實(shí)際計(jì)算網(wǎng)格量大、計(jì)算時(shí)間長、施工需要大的問題，關(guān)于實(shí)際觀測值的研究很少。raven等人通過cfd方法計(jì)算了模型和真實(shí)船的阻力，并分析了船舶模型中實(shí)際動(dòng)態(tài)阻力變化過程中各阻力成分的體積效應(yīng)。bhshan等人對(duì)atiea船模型和實(shí)際船的數(shù)值進(jìn)行了計(jì)算和驗(yàn)證。事實(shí)上，計(jì)量的計(jì)算值考慮到粗糙度的影響，這與船模型試驗(yàn)的外部推值一致。劉志華等人提出了在計(jì)算值時(shí)改變水流粘度系數(shù)、實(shí)現(xiàn)雷諾數(shù)相似的方法，能夠準(zhǔn)確計(jì)算實(shí)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(shí)際尺寸之間預(yù)測的裸船的阻力、流程圖、泵的揚(yáng)程和電力以及船泵值的自我提升和動(dòng)力參數(shù)。結(jié)果表明，雷諾數(shù)相似的船模型可以實(shí)現(xiàn)船、泵的幾何、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)速度的全相似性。1雷諾數(shù)類似于船模型，表明實(shí)際船的性能1.1來流速度、粘度為保證船模和實(shí)船總阻力系數(shù)相等,必須滿足實(shí)船和船模的雷諾數(shù)Re和弗勞德數(shù)Fr相等:式中:下標(biāo)s和m分別為實(shí)船和模型;L為船長,υ為流體運(yùn)動(dòng)粘度;v為來流速度;g為重力加速度.在船模試驗(yàn)時(shí)不能滿足全相似定律,因此工程實(shí)踐中船模試驗(yàn)都是在弗勞德數(shù)相等的條件下進(jìn)行的.為實(shí)現(xiàn)實(shí)船和船模的雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)全相似,在數(shù)值計(jì)算中可令:引入虛擬流體運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)之后,流體仍為牛頓流體,流場的基本運(yùn)動(dòng)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(shí)船阻力預(yù)報(bào)研究對(duì)象為DTMB5415.由于DTMB5415沒有相關(guān)的實(shí)船數(shù)據(jù),因此本文暫且將模型放大20倍作為實(shí)船,實(shí)船的阻力數(shù)據(jù)由船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過三因次換算外推得到.本文的計(jì)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(duì)流項(xiàng)離散選用二階離散格式.采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,同時(shí)對(duì)船首、船尾及靜水面進(jìn)行網(wǎng)格加密,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)320萬.船體附近的拓?fù)浼熬W(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(jì)算要求.為實(shí)現(xiàn)船模、實(shí)船Re和Fr全相似條件,在對(duì)船模進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)將水的運(yùn)動(dòng)粘度按照全相似的條件設(shè)置一個(gè)虛擬的粘度系數(shù)(取為1.067×10-8m2/s).此時(shí),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(diǎn)在對(duì)數(shù)層中,需使船體表面y+在30~300范圍內(nèi).同時(shí)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(gè)代表性的航速進(jìn)行計(jì)算,3個(gè)航速下阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值外推得到實(shí)船阻力如表1所列.進(jìn)行實(shí)船阻力預(yù)報(bào),必須要考慮粗糙度的影響.表2中實(shí)船阻力預(yù)報(bào)中粗糙度的影響采用Townsin等人提出的船體粗糙度補(bǔ)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(yàn)公式能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)實(shí)船阻力.考慮粗糙度的虛流體粘度系數(shù)方法阻力計(jì)算值與船模試驗(yàn)外推值在3個(gè)航速下相差在5%以內(nèi).此方法計(jì)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(zhǔn)確地預(yù)報(bào)實(shí)船阻力.為了進(jìn)一步驗(yàn)證雷諾數(shù)相似船模方法預(yù)報(bào)實(shí)船阻力和流場的可行性,本文也進(jìn)行了實(shí)船的網(wǎng)格劃分和計(jì)算.針對(duì)實(shí)尺度計(jì)算,本文采用與模型尺度下相似的控制域,并且對(duì)船體和水線面附近的網(wǎng)格進(jìn)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(duì)Fr=0.28航速下船模試驗(yàn)、模型雷諾數(shù)船模及雷諾數(shù)相似船模方法、實(shí)尺度計(jì)算方法預(yù)報(bào)的波形及流場結(jié)果進(jìn)行了分析和對(duì)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(diǎn)為首垂線與水線的交點(diǎn),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(yàn)值的波形基本吻合.基于CFD計(jì)算的3種方法波形比較接近,但是波幅有細(xì)微的差別,其中實(shí)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(diǎn)處與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比仍有偏離;(2)雷諾數(shù)相似船模方法與實(shí)船計(jì)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(duì)伴流的影響更加顯著.通過對(duì)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(shí)尺度計(jì)算得出的結(jié)果較為一致且體現(xiàn)出了實(shí)船雷諾數(shù)下流場特征:粘性的作用相對(duì)較弱,導(dǎo)致伴流較弱,興波更強(qiáng),表明了雷諾數(shù)相似船模在預(yù)報(bào)實(shí)船槳盤伴流場及實(shí)船推進(jìn)性能的可行性.2羅馬數(shù)類似于模型泵的預(yù)測實(shí)際泵性能2.1模型泵和實(shí)泵的動(dòng)力學(xué)相似關(guān)系在噴水推進(jìn)船模自航試驗(yàn)或者數(shù)值計(jì)算時(shí),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(jì)算中修改流體粘度系數(shù)實(shí)現(xiàn)雷諾數(shù)相似,可以消除尺度效應(yīng)的影響,實(shí)現(xiàn)實(shí)泵和模型泵動(dòng)力學(xué)相似.與上文雷諾數(shù)相似船模換算保持一致,實(shí)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(shí)泵和模型泵參數(shù)換算如下.揚(yáng)程流量軸功率式中:下標(biāo)m為模型泵,下標(biāo)s為實(shí)尺泵.本文計(jì)算實(shí)泵進(jìn)口直徑為2m,模型泵縮尺1/30,則模型泵進(jìn)口直徑為6.667cm.對(duì)模型泵和實(shí)泵進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,采用SST湍流模型,進(jìn)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(jì)算的相關(guān)設(shè)置參照文獻(xiàn)[8-10].2.2虛擬粘度方法本文計(jì)算了實(shí)泵在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速280r/min下5個(gè)不同流量的工況,實(shí)泵網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為274萬,動(dòng)力粘度設(shè)置為25°時(shí)淡水的粘度(8.9×10-4kg/(m·s-1);模型泵推算值1在計(jì)算時(shí)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為75萬,動(dòng)力粘度與實(shí)泵計(jì)算設(shè)置相同;模型泵推算值2計(jì)算時(shí)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為75萬,動(dòng)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(jì)算時(shí)對(duì)模型泵網(wǎng)格加密,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為274萬,動(dòng)力粘度仍設(shè)置為虛擬粘度5.42×10-6kg/(m·s-1).噴水推進(jìn)泵內(nèi)流線分布及4種計(jì)算設(shè)置預(yù)報(bào)實(shí)泵效率分別見圖4,5.自航試驗(yàn)時(shí),噴水推進(jìn)泵的縮尺比較大,模型泵與實(shí)泵之間存在較大的尺度效應(yīng).相對(duì)于實(shí)泵計(jì)算值,模型泵推算值1揚(yáng)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(jìn)船模自航試驗(yàn)時(shí),即使保證流量相似,由模型泵推算的到實(shí)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(shí)現(xiàn)模型泵與實(shí)泵動(dòng)力學(xué)相似.各流量下模型泵推算值2與實(shí)尺度計(jì)算值相差不大:推算值預(yù)報(bào)的揚(yáng)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?yàn)槟Ｐ捅门c實(shí)泵尺寸相差較大,網(wǎng)格量差別也較大,在數(shù)值計(jì)算中存在一定數(shù)值耗散,導(dǎo)致預(yù)報(bào)值略有不同.對(duì)比實(shí)泵計(jì)算值,模型泵推算值3預(yù)報(bào)的揚(yáng)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(shí)泵計(jì)算值偏差主要是因?yàn)榫W(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(bào)精度.綜上,運(yùn)用虛擬粘度的方法能夠在模型尺度較好預(yù)報(bào)實(shí)尺度下的性能,克服了實(shí)尺度計(jì)算計(jì)算量過大,傳統(tǒng)模型尺度計(jì)算或試驗(yàn)存在尺度效應(yīng)的困難.3船模與實(shí)船的模型評(píng)價(jià)對(duì)比從前述計(jì)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(shí)尺度船、泵之間的尺度效應(yīng),比較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)實(shí)船阻力、流場以及泵的性能,故本方法可以用來求取實(shí)船的自航因子.本文對(duì)某尾板式噴水推進(jìn)船實(shí)尺度和模型尺度進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算.船模的縮尺比為1/30,實(shí)尺度網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)2200萬,模型尺度網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(duì)比雷諾數(shù)相似船模與實(shí)船在Fr=0.431航速下,實(shí)泵轉(zhuǎn)速為263r/min下各參數(shù)預(yù)報(bào)值:相對(duì)于實(shí)船預(yù)報(bào)值,雷諾數(shù)相似船模預(yù)報(bào)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(jìn)效率偏小2.5%.雷諾數(shù)相似船模方法與實(shí)船計(jì)算預(yù)報(bào)推進(jìn)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(shí)船計(jì)算預(yù)報(bào)數(shù)值自航點(diǎn),采用這種方法可以大大減小計(jì)算量,減短計(jì)算時(shí)間.實(shí)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(shí),對(duì)比實(shí)際粘度和虛擬粘度時(shí)噴水推進(jìn)器在Fr=0.431航速下,實(shí)泵轉(zhuǎn)速為263r/min下性能的差別;相對(duì)實(shí)尺度雷諾數(shù)下計(jì)算值,模型雷諾數(shù)下計(jì)算得到噴水推進(jìn)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(duì)較厚,所以噴水推進(jìn)器進(jìn)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(shí)尺雷諾數(shù)泵相比,模型泵的揚(yáng)程偏低,軸功率偏大.4雷諾數(shù)相似模型的尺度計(jì)算1)雷諾數(shù)相似船模方法預(yù)報(bào)實(shí)船阻力與船模試驗(yàn)外推值在Fr=0.15~0.41三個(gè)航速下差別在5%以內(nèi),其流場預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)尺度計(jì)算值吻合較好.2)對(duì)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(shí)現(xiàn)