雷诺数对水下船舶cfd试验的影响

雷诺数对水下船舶cfd试验的影响

cfd用于船舶模型试验的优势是不受物理试验水池的限制。模型规模可以尽可能大，尽量消除规模效应，最终实现直接实际船的数值模拟。关于船舶规模的影响主要是基于模型试验的雷诺数和实际船的雷诺数之间的差异。在宏观阻力方面，有自模化雷诺数。由于船舶模型中的阻力-建造成本效益比较复杂，但对实际船舶流动场的预测值很复杂。文献中对高雷诺数下的随流场进行了预测，并对随流趋势进行了定性分析。目前高雷诺数下的绕流计算,主要受制于计算机硬件条件的限制.文献中报道用60×104网格计算了实船高雷诺数2.03×109下的黏性流场;文献中对DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)的全附体潜艇模型SUBOFF进行了Re=109下的绕流模拟.结果表明:对于Re=109下的绕流,采用70×104和106×104网格的计算结果差异很小.文献中则在考虑表面粗糙度影响的情况下讨论了适用于实船尺度雷诺数计算的湍流近壁模型.本文以KVLCC2M为研究对象,基于通用CFD软件平台Fluent6.3,采用叠模计算方法对较宽阔雷诺数范围下(Re=3.945×106～1.0×108)的水下船舶全黏流场进行了CFD计算.通过将计算结果与模型雷诺数下的试验值的广泛比较,研究了雷诺数对船舶阻力和伴流场的影响,探讨了高雷诺数下CFD计算对网格的要求.1kvlcc2m本文研究对象为KRISO的VLCC2M.KRISO的VLCC被用来为有球鼻艏艉的现代油轮(1997年)提供CFD校验数据,并阐释流动的物理现象.共设计了2种艉部,一般只有KVLCC2被用于CFD校验.试验数据来源于风洞试验,并不存在实船.本文所用KVLCC2M(见图1)是在水池试验用船模的制造过程中通过对KVLCC2的原始IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)数据进行光顺后得到的.由于船体几何与原始IGES数据仅有微小的不同,故称之为KVLCC2M.KVLCC2M一般被用来作为叠模计算校验,其特征尺度和一般的计算条件为:Re=3.945×106,Fr=0.142.2试验数据及网格划分CFD计算采用的坐标系:坐标原点位于船纵剖面、船艉、船底基线上;x1轴指向艏、y1轴垂直向上、z1轴指向右舷.试验采用的坐标系:坐标原点位于船舯纵剖面与设计水线面的交点上;x轴指向艉、y轴指向右舷、z轴垂直向上.计算与试验数据的比较都统一换算到试验坐标系中.本文所用试验数据来源于日本船舶研究所(NMRI),包括形状因子、桨盘面上的轴向速度等值线图,及桨盘面上沿z=-0.05Lpp的速度分布(Lpp为垂线间长).由于本文的研究属于高雷诺数研究,故计算条件从最初的Re=3.945×106拓展至Re=108.雷诺数的变化通过调节速度实现,模型尺度保持不变,计算采用叠模模型.网格划分的边界层最小网格尺度Δyp按下式计算:y+=0.172ΔypLRe0.9(1)y+=0.172ΔypLRe0.9(1)式中:L为特征长度,一般取L=Lpp;y+为当地雷诺数.边界层网格要求y+=30～500.本文根据Re=107,108;y+≈350;Δyp=5,0.63mm设计了2种网格,分别命名为网格1(m1)、网格2(m2).图2所示为2个雷诺数下的艉部对称面网格.3湍流模式一阶差分计算值与试验值计算比较湍流模型采用SST(Shear-StressTransport)k-ω模型,压力与速度的耦合采用SIMPLE算法,动量方程与压力的离散都采用二阶精度的差分格式,湍流模式采用一阶差分.阻力系数一般在迭代1000步后收敛,所有残差曲线在迭代3000步后收敛.图3所示为Re=3.945×106时的桨盘面上轴向速度等值线计算值与试验值.由图可见,计算值与试验值吻合得很好.图4所示为桨盘面上的横向速度矢量分布.由图可见,其横向速度呈一个“8”字形的上下分布的反向旋转涡对.图5所示为桨盘面上沿z=-0.05Lpp的无量纲轴向速度分量u¯u¯的计算值与试验值的比较.由图可见,计算值与试验值符合得较好.4高雷诺数结果显示的分析与比较4.1阻力系数及形状因子的估算表1～3所示为2套网格在6个雷诺数下的计算结果.其中:y+取船体表面最大值;e为误差.等价平板摩擦阻力系数Cf0由ITTC’1957公式估算,Cf0=0.075(lgRe−2)2(2)Cf0=0.075(lgRe-2)2(2)阻力系数试验值为Ct,exp=(1+k)Cf0(3)Ct,exp=(1+k)Cf0(3)形状因子试验值(1+k)exp=1.2由NMRI提供,其计算值为(1+k)cal=Ct,calCf0(4)(1+k)cal=Ct,calCf0(4)由表3可见,阻力系数及形状因子的计算误差都在2.5%以内.4.2流场模拟结果图6所示为同一雷诺数(Re=3.945×106)下不同网格的计算结果(无量纲垂向速度分量w¯¯¯)w¯)比较.由图可见,加密后的网格2对于较低雷诺数下的流场模拟并不一定合适,表2的Ct值也证实了这一点.图7所示为2种网格情况下的艉部纵对称面上流动矢量图.由图可见,图7(a)、(b)中,x=0.02Lpp与z=-0.05Lpp交点处的垂向速度矢量方向与图6是对应的(但两者方向相反,m1的垂向速度向上为正,而m2的垂向速度向下为负);图7(c)所示的流动细观结构与图7(a)一致,即加密后的网格用于描述高雷诺数流动是合适的,它所得到的结果与较低雷诺数下粗网格得到的流动细观结构相似.4.3轴向速度分布图8所示为桨盘面上沿z=-0.05Lpp的轴向速度分布和轴向速度的周向平均值u¯mu¯m随半径的变化.由图可见,随Re的增大,艉部轴向速度的恢复越快.5不符合雷诺数范围的数值模拟(1)一定的网格密度适用于一定的雷诺数范围;高雷诺数下的流场数值模拟,必须依靠提高网格密度来实现;但适用高雷诺数的网格并不一定适用于低雷诺数的.(2)y+