cfd标模kcs自航因子预报研究

cfd标模kcs自航因子预报研究

1船舶水动力性能数值模拟技术近年来，fd（复合探针iiid）技术的快速开发和计算机硬件性能的迅速提高，以fd技术为核心的虚拟试验技术在相关行业的应用日益普遍。以当今美国航空航天领域为例,CFD约占飞行器气动设计工作量的70%,而风洞试验仅占30%。在船舶水动力学领域,2004年,由德国HSVA牵头,荷兰MARIN、瑞典SSPA等国际著名水池联合发起了虚拟试验水池VIRTUE(TheVirtualTankUtilityinEurope)计划,拟合作开发一套可靠的船舶水动力性能数值模拟技术,即虚拟水池技术,以极大提高欧洲船舶制造和船舶设计竞争力,增强欧洲水动力学服务供应机构提供服务的范围和质量以及其研发能力。国内船舶水动力学领域对于虚拟水池试验技术也十分关注,相关研究机构开展了大量的研究工作,在很多方面都取得了相当的进展,其中现阶段以船舶快速性虚拟水池试验技术受到的关注最多,发展也相对成熟。船舶快速性三大试验中:船模阻力数值计算精度满足工程要求,已在船舶设计优化中得到应用;螺旋桨敞水水动力数值预报也达到了相当高的工程实用精度,并获得了较多的工程化应用;船模自航数值模拟技术也取得了较大进展。由此可见,基于CFD的船舶快速性能预报所需的必要条件已基本具备,而自航因子的预报则是船舶航速/功率性能预报的重要环节。由于水面船自航模拟的难度和计算量都很大,对于自航因子的CFD预报,国际上目前使用较多的是RANS/势流混合方法:在自航数值模拟中,采用体积力代替螺旋桨,将计算得到的流场作为输入,采用升力线(面)等势流方法计算螺旋桨的推力、扭矩;如此反复迭代得到自航点及自航因子。本文采用类似于模型试验的等车速变转速的方法,针对国际通用的标准船模KCS,进行自航因子的CFD分析、预报,并与模型试验结果进行了比较,总体上符合较好。本文的研究工作,为基于CFD的船舶快速性能(航速/功率)预报铺平了道路。2水和空气的交界面在本文中的水面船自由面绕流问题的数值模拟中,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ε方程。2.1不可压缩性的计算不可压缩流体流动的连续性方程为: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/或空气充满,它们的体积分数之和应为1,即:其中α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:其中,ρ为流体密度;μ是粘性系数;为重力加速度;p是压力。本文的数值模拟使用RNGk-ε两方程湍流模型,其具体形式可以参阅相关文献。2.2阶风压项目的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(SemiImplicitMethodforPressureLinkedEquations)方法求解,使用多重网格(Multigrid)技术加速收敛。3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。4计算船模阻力值的方法4.1有限元单元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。(a)前端—模型首部前约1.2LPP处;(b)后端—模型尾部后约2.5LPP处;(c)侧边界—模型侧方约1.3LPP处;(d)上边界—水线以上约0.3LPP处;(e)下边界—水线以下约1.3LPP处;(f)对称面—模型中纵剖面的延展面;(g)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)。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。4.2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:(a)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;(b)出口边界距离船模足够远,其压力分布设置为静水压力;(c)在船模表面,引入标准壁面函数;(d)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。4.3船模阻力和剩余阻力结果处理中,无量纲量如傅汝德数Fr、雷诺数Re的定义如下:其中,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:其中R为船模阻力,(8)式为计算相当平板的摩擦阻力系数的ITTC’57公式。在本文的数值模拟中,与KCS阻力和自航模型试验一样,船模是全约束的;船模速度为2.197m/s(Fr=0.26,Re=1.401*107),对应实船航速24kns。数值计算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,本文数值计算的船模阻力/阻力系数与模型试验结果十分接近,二者之间的差别不超过1%。5旋转条件设计采用滑移网格方法,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50rps(转速雷诺数为3.125×106),进速系数的范围为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。5.1d处不稳定区域螺旋桨敞水数值模拟计算区域的边界包括以下几个部分:(a)前端—螺旋桨上游6.0D处;(b)后端—螺旋桨下游12.0D处;(c)侧边界—螺旋桨侧方6.0D处;(d)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。5.2桨桨进速控制数值模拟中,边界条件的具体设置如下:(a)在入口边界上,根据螺旋桨进速,给定来流速度;(b)出口边界距离螺旋桨足够远,设置压力出口;(c)在转动区域,设定螺旋桨转速和方向;(d)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。5.3模型试验的比较结果处理中,进速系数、推力系数、扭矩系数和螺旋桨敞水效率等无量纲量的定义如下:其中,VA为进速,T为推力,Q为扭矩,ρ为密度,n为转速。图3给出了螺旋桨敞水性能曲线的计算试验比较。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%之内,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%左右之内;而对于敞水效率,误差都在3%之内。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,对应的敞水计算时的网格数量也相对较少,由此导致某些工况下的预报结果存在一定误差。6数值自航试验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。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。图4则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。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,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,可以得到强制力桨推力Tm,桨扭矩Qm。绘制出诸曲线,并由Z=Ra通过插值找出自航点;(4)绘制数值自航试验曲线,计算无量纲参数:(5)在螺旋桨敞水特性曲线上,根据KT0=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Rm,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,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的自航修正。对于则可计算得到Ra=30.25N。自航数值模拟使用的船模是KCS,螺旋桨模型为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。数值模拟中,与模型试验中一样,船模是全约束的,速度为2.197m/s(Fr=0.26),预估自航点螺旋桨转速Nm0=9.50c/s,并取Nm1=9.25c/s,Nm2=9.75c/s。数值模拟得到的不同转速下螺旋桨推力、扭矩、船模阻力、强制力等列于表4中;图5则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=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wm=0.216,相对旋转效率ηR=1.004。配以阻力试验数据,通过计算可得推力减额系数tm=0.169。则船身效率和总推进效率分别为:ηH=1.060,ηD=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。7cfd对实船功率/通航预报的启示根据上述数值模拟结果及其分析,可以看出:(a)在文中的计算工况下,KCS船