考虑兴波作用的自航船模推进因子计算及预报

考虑兴波作用的自航船模推进因子计算及预报

1船舶推进性能与实船差异性比较的数值计算方法船舶的动力性能是船舶设计中应考虑的基本问题。多年以来,除了经验估算外,船舶设计师们一直是通过开展缩尺船模的自航试验来了解并分析实船的推进性能,以指导相关的工程设计。由相似律可知,如果试验船模与实船能满足傅汝德数相等、雷诺数相等以及进速系数相等,那么船模和实船就可以达到几何相似、运动相似和动力相似的全相似状态,然而,在实际情况下,由于缩尺船模与实船无法达到雷诺数相等,粘性作用力的相似性受到破坏,并产生了尺度效应,使得船模的推进性能与实船存在一定的差异,而这种差异一直以来都没有一种明确而广泛适用的方法可以表达,所以人们都是采用一些工程换算方法来处理这一问题(如ΔCT、Δw法和1978ITTC标准方法),这些工程方法在形式上包含大量的经验修正,其结果的准确性与主观选取的补贴系数和修正系数密切相关,特别是对于带有众多附体的船舶,由于尺度效应影响大,要确定出合适的修正系数十分困难,这些因素都在一定程度上降低了工程换算方法的可靠性。目前,随着船舶计算流体力学的发展,运用RANS方法对单独船模或桨模的粘性流场计算已比较成熟,一些学者已经开始尝试对船—桨综合流场特征与流体动力进行模拟,取得了一定的成果[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。比如Lubke和Mach,Chao,Tahara和Wilson分别运用RANS方法对船模带螺旋桨工作时的作用力及流场形态进行了数值预报。在对缩尺船模进行研究的基础上,近年来,有学者开始尝试实船流场的数值计算研究,比如Tahara和Katsui,Leer-Andersen和Larsson等人都分别开展了实尺度船舶流场的CFD计算。船舶推进性能的CFD计算,是对包括流体粘性、自由面及螺旋桨工作的船舶流场的数值模拟,这种计算是一种复杂的非定常计算,计算量很大,本文通过分析船舶兴波对推进因子的影响方式和程度,提出了忽略兴波作用的推进因子数值计算方法,并对数值计算方法结果的可靠性进行了验证。在此基础上,对实船的推进因子进行了预报。2兴波作用对伴流的影响从严格意义上讲,运用RANS对数值全相似自航模进行计算,需要建立考虑船体兴波和船后螺旋桨工作的空气—海水两相粘性流动的计算模型,这种计算十分复杂,特别是自由波面的计算对网格质量要求很高,计算时间很长,给数值计算带来了很大的困难。文献表明,兴波作用对伴流的影响主要是由于桨盘面处水质点的轨圆运动而引起的,这种轨圆运动幅度随着水深的增加成指数级的衰减,而在静水中的船体兴波是微幅波,这种自由面上较小波幅的波浪对深埋于水下的螺旋桨盘面处伴流的影响是十分微小的,并且对于一般的排水型船舶,尾部安装的螺旋桨正上方不是自由波面而是船尾部底板,从而使得兴波效应无法直接进入螺旋桨盘面处,这样进一步削弱了兴波作用对伴流的影响;另外,推力减额的产生是由于螺旋桨的抽吸作用增大了船体的粘压阻力和摩擦阻力,对兴波阻力的影响甚微,所以兴波作用对推力减额分数的影响可忽略不计。基于以上分析,本文在推进因子预报的数值计算中并不考虑船体兴波,但为了使数值自航船模的螺旋桨推力与船体阻力平衡,兴波阻力值仍然进入到确定自航点的计算中。3计算海洋促进因素的方法3.1流体动力学模型对于各种计算模型流场及流体动力的求解采用的基本方法是RANS方法。RANS方程的形式如下:式中:ρ为流体密度;μ为流体粘度;p为静压;fi为单位质量的质量力;ui、uj为速度分量。对于船模兴波波面的模拟计算,本文采用的是流体积法,这种方法是一种以计算流体占据网格单元体积份额的途径来跟踪自由面演化的方法。为了跟踪空气和水之间界面的位置,需要求解体积分数的连续性方程,对q种流体有:式中:aq表示水(q=1)的体积分数或空气(q=2)的体积分数,海水的体积分数和空气的体积分数满足:每个控制体中,流体密度和粘度由体积分数平均得到:将(4)、(5)式代入(1)式就得到了计算船模兴波流场的水-气两相流动的动量方程。对于螺旋桨流场的计算,本文采用的是多旋转系模型。这种模型是建立一个固连于螺旋桨的旋转坐标系,并将螺旋桨周围的流域独立出来,从而使得这个流域的流场在旋转坐标系下是定常的,而这个流域之外的流域在绝对静止坐标系下也可以近似认为是定常的,这种处理方式使得螺旋桨旋转流场的求解得以简化,其具体细节见文献。对于湍流模式,本文所应用的是k-ε两方程模型的一种改进模式RNGk-ε模型,这种模型是一种适合复杂粘性流场计算的湍流模型。其方程形式如下:湍流脉动动能方程(k方程)为:湍流能量耗散率方程(ε方程)为:式中各项的含义以及常数的选取见文献[14-16]。3.2横剖面图的设计本文计算对象KCS集装箱船实船垂线间长为230.0m,型宽为32.0m,设计吃水为10.8m。其设计水线面以下船体横剖面图如图1。该船所匹配的螺旋桨为5叶螺旋桨,剖面形式为NACA66+a=0.8,实桨直径为7.9m。为了对推进因子的数值计算方法进行检验,本文首先根据原始试验资料,对缩尺比为31.6、傅汝德数为0.26、进速系数为0.925的自航船模进行了数值计算,船模兴波阻力计算、螺旋桨敞水性能计算以及数值自航船模的计算中所用的计算流域及网格划分图如图2~4所示。3.3船模兴波试验和自航船模推进试验结果本文按照上述计算模型和网格系统,按照2.2中数值船模预报实船推进因子的步骤,分别对船模兴波阻力、粘性阻力、螺旋桨敞水性能以及数值自航船模的推进性能进行了计算,并将计算结果与自航船模试验进行了比较。其中,KCS船模阻力和自航模推进因子的预报结果和螺旋桨的敞水性能预报结果如表1和图5所示。表1中,η为误差率。4计算实际船尾的因子4.1实船自航点处的螺旋转运动学运用数值方法计算实船的推进因子,首先要确定的是实船的自航点,自航点的确定原则是保证带桨工作的船体阻力与螺旋桨推力平衡。对应于某一航速Vi,在实船自航点处应有:(12)式中,实船在某一既定航速Vi下的粘性阻力Rvs和螺旋桨推力Ts都是只与螺旋桨转数ns相关的函数;由于螺旋桨的工况对兴波阻力的影响甚小,所以可认为在航速Vi下Rws随螺旋桨转数的变化可以忽略,并且大小与不带桨时船体的兴波阻力值相等。那么在航速Vi下,通过变化实尺度船的螺旋桨转速ns大小就可以得到Ts随ns的变化曲线和随ns的变化曲线(如图6所示),这两条曲线的交点即为该航速下实尺度船的自航点。4.2船舶粘结流场计算模型从上面的分析可以看出,对于船体线型和螺旋桨形状一定的实船,运用数值方法对其推进因子进行预报的步骤如下:(1)建立实尺度船不带桨时的空气—水两相流动的粘性流场计算模型,计算实船在不同航速Vi下的兴波阻力粘性阻力(2)建立螺旋桨敞水性能的计算模型,计算出螺旋桨的推力系数和转矩系数曲线;(3)建立实尺度船带桨工作时的单相粘性流动计算模型,按照3.1中所述方法确定实船的自航点以及此时的船体粘性阻力和螺旋桨实际推力Ti;(4)计算实尺度船的推力减额分数为:(5)结合步骤(2)中得到的螺旋桨敞水性能曲线,按照等推力法,计算实尺度船的实效伴流分数为wi。4.3实船运行环境设计实尺度KCS船垂线间长为230.0m,为了与实验船模的傅汝德数对应,这里仍然取Fn=0.26,则航速V=12.35m/s,实船运行环境设为20℃的海水,即流体ν=1.054×10-6m2/s;ρ=1024.73kg/m3;重力加速度g=9.81m/s2。按照4.2节中实船推进因子数值预报的一般步骤,可预报得到实船螺旋桨转速及推进因子的结果如下表2。5自航船模拟计算模型运用数值计算方法预报船舶的推进因子是一种研究船舶推进性能的有效方法,本文开展了以工程应用为背景的船舶推进