sub-sshr-rsm对水沙运动的响应

sub-sshr-rsm对水沙运动的响应

1相关研究问题的解决自1980年代中期以来，国际水动力学研究院（iii）对潜水员的水流进行了广泛的数值模拟研究。Huang(1992)对于SUBOFF艇型进行了系统的风洞尾流场试验,采用BL模型、修正的BL模型与k-ε模型详细计算了桨盘面内的轴向无量纲速度。Atkins(1996)对装有围壳与四个尾翼的SUBOFF潜艇模型的流场进行了数值计算。Bull(1996)通过变化网格形式、网格数量、湍流模型、流动求解器,对于SUBOFFAFF-1(裸艇体)与AFF-8(全附体)的尾流场的数值模拟进行了系统的验证。Yang(2003)基于非结构化网格数值模拟了SUBOFF主体带指挥台围壳后的表面压力和摩擦应力,以及有无攻角下的流动结构。Rhee(2003)采用RANS方程结合k-ω湍流模型求解了SUBOFF主体带围壳和主体带尾翼的三向尾流场,并与试验结果进行了对比,发展了一种新的近壁面处理方法。Alin(2003)采用大涡模拟方法研究了SUBOFF全附体模型的绕流,计算给出了流线和壁面压力分布。Bensow(2004)采用大涡模拟的方法数值计算了SUBOFF的粘性流场,并与试验结果进行了对比,又利用鼓动盘模型模拟了潜艇模型的自航运动。在国内,中国船舶科学研究中心在粘流数值模拟潜艇流场与水动力方面做了大量工作,从回转体到翼板结合体、从裸艇体到全附体、从单独潜艇到艇桨耦合、从宏观流场到局部精细流场,进行了全面系统的计算与分析,这些工作为今后的研究提供了大量计算实例和技术支撑,积累的有益经验可资今后研究借鉴[8,9,10,11,12,13,14]。对船体周围流动的试验研究一般是在拖曳水池或风洞中采用缩比模型进行试验测量分析,而模型尺度绕流与实船尺度绕流存在显著的差异,这样也就带来了从模型尺度向实船尺度外推的“尺度效应”问题,这是长期困扰流体力学界的一大难题。如果利用试验方式来研究尺度效应,势必造成巨大的人力和物力投入,成本很高,技术难度也大。目前由于CFD技术的工程实用性不断得到改善,对复杂流场的计算精度不断得到提高,所以人们已逐渐采用数值模拟的方法来研究船舶领域的尺度效应问题,主要集中于雷诺数对于船舶流场影响的研究。Bull与Watson(1998)利用SUBOFF潜艇模型,采用RANS方法,结合RNGk-ε、k-ω、SSTk-ω湍流模型,研究了潜艇绕流随雷诺数的变化问题。网格数为50~100万。计算了带4只尾翼的SUBOFF潜艇(AFF4)在Re=1.2×107、1.2×108、1.2×109时的绕流,比较了不同雷诺数下桨盘面内速度波动图、速度等值线云图和湍流动能。Watson与Bull(1998)利用具有U型艉的HSVA油轮,采用RANS方法,结合RNGk-ε、k-ω、SSTk-ω湍流模型,探讨了船舶绕流随雷诺数的变化问题。计算了Re=5×106、5×107、5×108、1×109时的绕流。网格数为80万。计算给出了艉部油流示踪显示和桨盘面内速度等值线云图,定性地比较了不同雷诺数下这些图形的变化。在上述研究的基础上,近年来,欧盟在研究尺度效应方面做了巨大的投入,进行了更为深入、更为广泛的研究。欧盟建立了高雷诺数不可压缩流动研究计划(HighReynoldsNumberImpressibleFlowEuclid10.12)。这个计划的主要目的就是研发模拟高雷诺数船体绕流的计算平台,并且建立试验数据库以验证这个计算平台的可行性。这一计划选定了两艘军舰和一艘潜艇开展相应研究。采用激光多普勒测速仪测量实船螺旋桨上游的平均轴向和切向速度(Re=1.66~5.3×108),采用皮托管测量实船边界层。在拖曳水池(Re=5~8.35×106)和大型循环水槽(Re=0.674~5.67×107)中测量沿船体五个剖面内以及螺旋桨区域内的速度场,形成了丰富的数据库。在此基础上,评价了四个公司提供的七种不同的计算软件,比较了这些软件的能力、精度和可信度。上述计划说明,伴随着大规模并行计算技术和粘流数值模拟软件的快速发展,国际上已经开始专注于实尺度模型绕流的计算问题,以期为尺度效应问题的研究做些贡献。2计算值的方法2.1控制方程式不可压缩流体连续性方程与RANS方程。2.2压力面及内载荷L为潜艇总长。速度入口:潜艇艏部向前1L,设定来流速度的大小与方向。压力出口:潜艇艉部向后2L,设定相对于参考压力点的流体静压值。壁面:潜艇外表面设定无滑移条件。对称面:垂直于对称面的速度分量为零;平行于对称面的速度分量的法向导数为零。外场:距潜艇表面约1L,速度为未受扰动的主流区速度。2.3湍流模型类型本文共选用五种湍流模型。其中两方程湍流模型四种:Standardk-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型、Standardk-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型。七方程湍流模型一种:雷诺应力模型(Reynoldsstressmodel-RSM)。模型的具体表达参见文献。2.4半隐式压力耦合方程本文选用流场计算中经典的SIMPLE算法。SIMPLE(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations)算法是求解压力耦合方程的半隐式方法。具体表达参见文献。对流项采用二阶迎风差分格式;扩散项采用中心差分格式;湍流各项和雷诺应力项也均采用二阶迎风差分格式。3计算与分析3.1种湍流模型预报结果对比本节采用Standardk-ε、RNGk-ε、Standardk-ω、SSTk-ω以及RSM五种湍流模型预报了SUB-OFF主体+围壳和主体+尾翼的尾流场,Re=1.2×107。试验数据取自文献。主要比较桨盘面径向4个半径上的轴向无量纲速度ux/u0值。计算模型网格见图1,计算结果见图2、3。图中Rmax表示平行中体最大半径。从图2、3可知,在r/Rmax=0.3半径上,五种湍流模型预报结果差异较明显,从速度曲线峰谷特性来看,k-ω和RSM模型的预报结果与试验结果最为吻合,能够很好地反映尾流场轴向速度量级和峰谷变化。在r/Rmax=0.5半径上,五种湍流模型预报结果差异减小趋于一致。对于周向平均的ux/u0,k-ω和RSM模型预报结果与试验结果的差异在3%~5%,其他三种湍流模型的预报结果与试验间的差异都在9%~20%。从工程预报的要求可知,k-ω和RSM湍流模型优于其他模型。从图6~8可知,在r/R0<0.7之内,5种湍流模型的计算结果差异较大。k-ε和RNGk-ε湍流模型计算得到的轴向速度分布曲线过于平坦,无法真实反映速度分布的峰谷特性。k-ω、SSTk-ω、RSM三种湍流模型的计算结果与试验结果吻合较好。综合考察峰谷特性和轴向速度量级,三者之中,RSM湍流模型的计算结果与试验结果最为吻合。在r/R0≥0.7之外,5种湍流模型的计算结果与试验结果的吻合程度都有相应的提高,k-ε和RNGk-ε湍流模型的预报结果仍然不很理想,RSM模型的预报结果最优。以上结果说明湍流模型对计算结果的影响主要在于桨盘面内部区域。k-ω、SSTk-ω、RSM三种湍流模型计算的标称伴流分数wf与试验值的差异都在3%之内。对于复杂潜艇模型的尾流场预报,建议采用RSM湍流模型。3.2结构速度及边界层厚度本节数值模拟了全附体SUBOFF模型在雷诺数Re=107、108、109下的绕流情况。Re从107增长到108时,采用增大速度的方式完成;雷诺数Re从108增长到109时,采用长度和速度同时变化的方式完成,长度放大倍数λ=24。对于Re=109下的绕流,采用两套网格,网格数分别为70万和106万,研究表明两套网格对应的计算结果差异很小。计算算例见表2。不同雷诺数下桨盘面轴向速度计算结果见图10,轴向速度等值线云图计算结果见图11。由图10可知,随着雷诺数的增长,轴向无量纲速度ux/u0有增大趋势,表现在图中,就是速度波动曲线向上抬升,而且在抬升的过程中,曲线形式(无量纲速度ux/u0的波动特征)也发生了变化,高雷诺数下曲线的波动减小,亦即最大值与最小值之间的差值△u减小。Re从107增长到108,△u减小了10%~30%;Re从108增长到109,△u减小了24%~45%。图11说明了随着雷诺数的增长,桨盘面内低速区内移。三张图放在一起比较,很好地印证了文献[15-17]中所指出的随着雷诺数的增长,流动特征趋于“紧致和收缩”(compactandcompressed)的现象。在x/L=0.978处,取壁面的外法线,如图12(a)中normal所示。此外法线上的轴向速度分布见图12(b),计算给出了边界层位移厚度δ1、动量损失厚度δ2以及形状因子H12,见表3。边界层厚度的积分公式如下,各边界层厚度计算值见表3。从表3可知,在模型尺度雷诺数到实艇尺度雷诺数范围内,边界层位移厚度约为艇长的0.11%~0.175%,动量损失厚度约为艇长的0.096%~0.14%,形状因子约为1.15~1.25。随着雷诺数的增长,边界层各个厚度都减小了,边界层逐渐变薄。图13、14给出了不同雷诺数下指挥台围壳前缘根部以及上垂直翼前缘根部的涡旋结构,图中纵向和横向坐标都进行了无量纲化处理。由图13、14中可以明显看出,随着雷诺数增高,附体根部的涡旋结构的相对尺度减小,而且涡核中心逐渐靠近附体。4不同湍流模型的绕流特性对比潜艇周围流场特别是尾流场不但是其水动力性能的基本反映,而且是艇体水动力噪声的主要来源,因此潜艇尾流场特性的预报将直接影响到未来新型潜艇设计的优劣。本文采用粘流数值计算方法,比较了模型在不同状态下的绕流特性,考察了五种湍流模型对潜艇尾流场的预报精度