cfd标模kcs实船功率性能预报研究

cfd标模kcs实船功率性能预报研究

0虚拟试验阶段cfd模拟。在实船功率21世纪是海洋的世纪！海洋空间和资源开发的前提和核心基础是海洋恶意软件技术。水动力是船舶恶意软件设备全球技术的中心基础。全球水动力的设计和评估是设计阶段不可或缺的重要组成部分。传统的船舶海洋工程装备性能设计评估模式是:根据母型船或装备型线、模型系列试验资料,按照某种规则对型线加以修改得到目标船型或装备型线,然后制作模型、开展试验,利用模型试验结果进行综合水动力性能评估。这种模式,强烈地依赖于设计师的设计经验和型线数据库,并且对资源的消耗和依赖多,周期长,不利于快速响应。随着计算机和CFD(ComputationalFluidDynamics,计算流体力学)技术的快速发展,以CFD技术为核心、以计算机技术为依托的虚拟试验技术系统在船舶综合水动力性能设计评估中发挥着日益重要的作用。这种方法对资源的消耗和依赖较少,周期也相对较短,可以高效地响应用户的设计要求。由于虚拟试验技术的优势和巨大潜力,国际船舶水动力学界对其十分关注。2004年,欧盟启动了虚拟试验水池计划VIRTUE(TheVirtualTankUtilityinEurope),首次提出了全面的船舶水动力性能虚拟试验策略架构,具有很强的学科指南意义。近年来,中国船舶科学研究中心等国内研究机构,也开展了大量的船舶水动力CFD研究工作,取得了较为丰硕的成果,与物理模型试验形成良性的互补、互动,在船舶水动力性能设计、评估和优化等方面发挥了重要作用。以上述研究工作和成果为基础,根据客户的需求,中国船舶科学研究中心提出了构建船舶综合水动力分析虚拟水池技术系统目标,目前已针对船舶快速性,形成了V1.0版本。无论是物理试验还是虚拟试验,其目的都是为了预报、评估船舶的航行性能。对船舶快速性而言,可以通过船模阻力、螺旋桨模型敞水和船模自航等物理模型试验来预报实船功率性能或航速;相应地,也可以通过对应的虚拟试验即CFD模拟预报实船功率性能或航速,这就是本文研究工作的目的。比拟物理模型试验,基于CFD模拟的实船功率性能预报,也要开展船模阻力、螺旋桨模型敞水和船模自航的数值计算;而每个环节的计算误差,都会累积到实船功率性能的预报中。因此,欲使实船功率性能预报精度满足工程实用要求,对每个环节的数值计算精度都应有一定的的要求。其中,船模阻力和螺旋桨模型敞水的CFD计算技术渐趋成熟,预报精度也基本达到工程实用的要求;船模自航的CFD模拟虽已取得成功,但因其为船、桨、舵相互干扰的复杂流动问题,对于自航船模的阻力和船后螺旋桨的推力、扭矩的预报,就目前国际总体水平而言,其精度尚难达到工程实用的要求。因此,基于CFD模拟的实船功率性能预报,其难点主要在自航模拟中,包括船、桨相互干扰条件下的船模阻力和船后螺旋桨推力、扭矩的准确预报。本文比拟模型试验的水面船功率性能预报,针对水面船标模KCS,开展了船模阻力、螺旋桨模型敞水和船模自航的数值模拟;通过对CFD计算结果的分析,获得KCS实船的自航因子,并预报了设计航速下的实船功率。CFD计算模拟、分析及预报结果,都与模型试验及基于模型试验的预报结果进行了比较,总体上符合较好。本文的工作,是国内首次较系统的基于CFD模拟的水面船功率预报研究,也是船舶综合水动力分析虚拟水池技术系统的一个重要组成部分。1流体体积处理本文对水面船自由面绕流问题的数值模拟是将自由面流动作为两相流(水和空气)来处理,自由面就是水和空气的交界面;由于流场中流体流动速度与音速相比很小,因此将水和空气都作为不可压缩流体处理;自由面使用VOF(VolumeofFluid,流体体积)方法处理。这样,水面船自由面绕流问题数学模型的控制方程包括:连续性方程、体积分数方程、动量方程,以及湍流模型的k方程和uf065方程。1.1流体体不可压缩性的u不可压缩流体流动的连续性方程为式中V为速度矢量。对于水面船自由面绕流问题这种两相流,水与空气的质量都应该是守恒的。由于流体的不可压缩性,可以用体积分数写为计算区域内的每个控制体积都由水和空气充满,它们的体积分数之和应为1,即:式中uf061表示体积分数,下标a和w分别代表空气和水。两相流同样要满足动量守恒方程:式中,uf072为流体密度;uf06d是粘性系数;g为重力加速度;p是压力。本文的数值模拟使用常用的RNGk-uf065两方程湍流模型,其具体形式可以参阅相关文献。1.2流项与扩散项差分格式控制方程使用有限体积法(FiniteVolumeMethod,FVM)离散,其中对流项采用二阶迎风差分格式,扩散项采用中心差分格式。离散得到的差分方程组具有高度耦合性和非线性,使用SIMPLE(Semi-ImplicitMethodforPressureLinkedEquations)方法求解,使用多重网格(Multigrid)技术加速收敛。2计算对象的总结数值模拟中,使用的船模为KRISO的3600TEU集装箱船KCS,桨模为KP505。船模和桨模主要参数分别列于表1和表2中。3计算船模阻力值的方法3.1有限元网格划分由于阻力计算问题具有对称性,因而在数值模拟时只需计算一半区域。计算区域及网格划分参考了以前的研究成果。计算区域如图1所示,其边界包括以下几个部分:(1)前端——模型首部前约1.2LPP处;(2)后端——模型尾部后约2.5LPP处;(3)侧边界——模型侧方约1.3LPP处;(4)上边界——水线以上约0.3LPP处;(5)下边界——水线以下约1.3LPP处;(6)对称面——模型中纵剖面的延展面;(7)船模表面。计算中使用的网格为H-O型结构化网格(纵向H型、横向O型,如图1所示),计算区域的网格单元总数约为55万。网格划分的基本原则为:船模首部和尾部网格适当加密,中部网格较为稀疏;在模型表面附近网格加密,其中第一层网格间距根据y+确定(y+平均约为50~100);自由表面附近网格也适当加密。图2则给出了船模表面网格划分。3.2压力分布自由面设置数值模拟中,边界条件的具体设置如下:(1)在入口边界上,根据船模运动速度和自由面位置,给定入口流动速度以及水和空气的体积分数;(2)出口边界距离船模足够远,其压力分布设置为静水压力;(3)在船模表面,引入标准壁面函数;(4)在对称面上,满足对称条件。以均匀流场作为数值计算的初始条件。3.3船模阻力分析结果处理中,无量纲量如傅汝德数Fr、雷诺数Re的定义如下:式中V为船模速度,ρw,μw分别为水(15°C淡水)的密度和粘性系数。总阻力系数CT、摩擦阻力系数CF和剩余阻力系数CR的定义如下:数值模拟中,船模速度为2.197m/s(Fr=0.26,Re=1.401×107),对应实船航速24kn(1kn=1.852km/h)。数值计算得到的船模阻力与阻力系数列于表3中,表中同时给出了模型试验结果。从表中可以看出,在此工况下,本文数值计算得到的船模阻力及阻力系数与模型试验结果十分接近,二者之差不超过1%。对于船模阻力CFD计算,根据Gothenburg2010CFD-Workshop对所有参与机构提交的标模KVLCC2、KCS和DTMB5415计算结果的统计分析,与模型试验相比,计算结果平均标准偏差约为2%~3%左右;中国船舶科学研究中心对其近年来船模阻力CFD计算的统计分析表明,95%的计算结果偏差在3%之内,平均偏差约为2%左右。由CFD计算的船模阻力系数,可以通过换算预估实船总阻力系数、总阻力和有效功率:式中,CRs(28)CR;对于KCS,取(35)CF(28)0.27uf0b410-3。根据船模阻力系数换算得到的KCS实船总阻力系数、总阻力和有效功率列于表4中。4桨叶转速的变化采用滑移网格方法,进行螺旋桨敞水试验数值模拟。数值模拟中,螺旋桨的运转条件设为:转速n为50r/s(转速雷诺数为3.125×106),进速系数J=VA/(nD)的范围为0.1~0.9,进速系数J的变化由进速VA增大或减小来实现,而转速n保持不变。4.1桨模和桨微生物螺旋桨敞水数值模拟计算区域的边界包括以下几个部分:(1)前端——螺旋桨上游6.0D处;(2)后端——螺旋桨下游12.0D处;(3)侧边界——螺旋桨侧方6.0D处;(4)桨模及桨毂表面。数值模拟中,螺旋桨及其附近的转动区域采用非结构化网格,外围则使用H-O型结构化网格,结构化与非结构化网格之间通过交界面搭接;网格单元总数约为57万,其中螺旋桨附近旋转区域的网格单元数约为26万。4.2桨叶进速控制数值模拟中,边界条件的具体设置如下:(1)在入口边界上,根据螺旋桨进速,给定来流速度;(2)出口边界距离螺旋桨足够远,设置压力出口;(3)在转动区域,设定螺旋桨转速和方向;(4)在螺旋桨及桨毂表面,引入标准壁面函数。同样以均匀流场作为数值计算的初始条件。4.3数值模拟仿真时小时效果式中,T为推力,Q为扭矩。图3给出了计算所得螺旋桨敞水性能曲线与试验曲线的比较。由计算结果和模型试验的比较可知:对于推力系数,进速系数J在0.3~0.8范围内预报效果较好,误差在3%以内,进速系数过小或过大时预报效果略差;对于扭矩系数,在数值计算的进速系数范围内,除个别点外,误差基本都在3%以内;而对于敞水效率,误差都在3%以内。由此可见,本文使用的数值模拟方法能够较好地预报螺旋桨敞水性能。考虑到带自由面的水面船自航数值模拟相当耗时,因而要尽量控制网格单元数量,螺旋桨附近的网格单元数量不可太多,对应敞水计算时的网格数量也相对较少,由此可能导致某些工况下的预报结果存在一定误差。在一般情况下,可以用螺旋桨模型计算或试验所得的敞水性能作为实桨的敞水性能。其主要依据是:模型的粘性阻力系数虽略大于实桨,但是模型加工时桨叶表面十分光滑,而实桨的表面比较粗糙,认为实桨粗糙度的附加阻力系数大体抵消了两者之间的差异。5水面船舶自航行值的模拟和自航原因的分析5.1数值模拟结果对于单桨水面船自航的数值模拟,由于问题不再具有对称性,因而需要进行整船计算。计算区域的范围与阻力数值计算的一样,只是对称面不复存在。自航数值模拟使用船模KCS和桨模KP505;螺旋桨在船模上的安装位置在x/L=0.4825处,即在尾垂线上游0.0175L处;船模速度为2.197m/s(Fr=0.26,Re=1.401×107)。螺旋桨及其附近区域采用非结构化网格,网格划分与敞水数值模拟的一样;其他部分的区域都采用H-O型结构化网格,网格划分与阻力数值计算的相同;结构化与非结构化网格之间、转动与非转动区域之间都通过交界面搭接;网格单元总数约为140万。图4给出了船模及螺旋桨表面的网格划分。数值模拟中的边界条件设置参照船模阻力计算和螺旋桨敞水模拟;同样以均匀流场作为数值计算的初始条件。5.2数值自航试验结果参考水面船自航模型试验方法,采用类似于模型试验的等车速变转速的方法,进行数值自航因子分析。具体分析过程如下:(1)根据船型特点等,预估一自航点;(2)在预估的自航点转速Nm0及其前后适当范围各取一点Nm1和Nm2(应该保证实际的自航点在此范围之内),进行自航的数值模拟;(3)根据数值模拟结果,可以得到强制力Z(Z=Rm(sp)-Tm),桨推力mT,桨扭矩mQ。绘制出诸曲线,并由Z=Ra通过插值找出自航点;(5)在螺旋桨敞水特性曲线上,根据KT0(28)KT,可以得到J0、KQ0、η0。则船模的实效伴流分数和相对旋转效率分别为(6)配以阻力试验数据mR,可以得到推力减额系数则船身效率和总推进效率分别为:其中:Rm(sp)为自航状态下的船模阻力,是为补偿模型与实船摩擦阻力系数之间差别而引进的自航修正值,称为强制力。对于KCS,(35)CF(28)0.27uf0b410-3,(7)1(10)k(8)(28).1100,CFs(28)1.378uf0b410-3,则可计算得到Ra=30.25N。数值模拟中,预估自航点螺旋桨转速Nm0=9.50r/s,并取Nm1=9.25r/s,Nm2=9.75r/s。图5给出了数值自航试验曲线。由Z=Ra,在数值自航试验曲线上,通过插值可得自航点n=9.58,J=0.917,T=60.73,KT=0.170,Q=2.639,10KQ=0.295。根据KT0(28)KT,在螺旋桨敞水特性曲线上,通过插值可以得到J0=0.719、10KQ0=0.296、η0=0.657。则船模的实效伴流分数mw=0.216,相对旋转效率Rη=1.004。配以阻力试验数据,通过计算可得推力减额系数mt=0.169。则船身效率和总推进效率分别为:Hη=1.060,Dη=0.700。通过数值模拟结果分析得到的自航因子列于表5中,表中同时给出了模型试验结果。从表中可以看出,根据数值模拟结果分析得到的自航因子与模型试验结果总体上符合较好。6实船螺旋转速及工况评价根据上述船模阻力、螺旋桨敞水、船模自航的CFD模拟结果及自航因子分析结果,可进行KCS实船的功率预报。实船实效伴流分数可根据模型实效伴流分数和推力减额通过下式计算:其中:ts(28)tm。实船船身效率为实船螺旋桨的载荷系数为根据实船螺旋桨载荷系数,通过敞水特性曲线可以得到实船螺旋桨进速系数Js、推力系数KTs、扭矩系数KQs和敞水效率η0s,进而可以得到实船螺旋桨转速:基于CFD模拟结果及分析计算得到的实船螺旋桨载荷