cfd技术在数值模拟中的应用

cfd技术在数值模拟中的应用

0cfd技术的应用随着fd（计算流量动力学的方法）的发展，该技术在船舶性能研究领域发挥着越来越重要的作用。CFD技术的应用表现为在船体先期研发阶段将CFD技术应用于母型的选取、线型优化及阻力性能评估等方面;随着燃油价格不断上涨和要求船舶节能降耗,来体现船舶的优良快速性能。依托工信部高技术船舶科研项目“计算流体力学的实用化研究——基于CFD的船舶快速性能优化技术和设计准则研究”,本文以17.5万dwt散货船为研究对象,应用CFD软件和优化软件开展线型优化的数值研究,并进行船模试验加以验证。1散货船优化设计为了实现船体线型优化、改善船舶快速性能,以7.5万dwt散货船为研究对象,其主尺度见表1。结合FRIENDSHIP-Framework强大的改型、优化功能软件与专业船舶CFD计算软件SHIPFLOW的优势,定义17.5万dwt散货船的原始线型艏、艉部的若干特征参数为优化变量。球艏优化时以船体兴波阻力系数为优化目标、球艉优化时以总阻力系数及标称伴流为优化目标进行相应的改型和数值计算。对计算得到的自由水面波形、船体阻力值及伴流场等开展比较研究,并根据数值计算结果,确定若干船模阻力试验方案,来验证CFD优化的结论。2部优化2.1球长度、高度系数及横剖面系数为了研究球艏对船体兴波阻力和艏部流场压力分布的影响,选取了CLPR、CZB、CBB三个特征参数为改型的优化参数。其中,CLPR=LPR/LPP为长度系数,LPR为球艏伸出艏垂线的长度,LPP为两柱间长;CZB=ZB/TFT为高度系数,ZB为球艏最前缘点距基线的高度,TFT为艏吃水;CBB=ABT/AM为横剖面系数,ABT为艏垂线处横剖面面积,AM为船中横剖面面积。为了保证排水量在允许范围内变化,还研究了球艏长度系数、高度系数以及横剖面系数对兴波阻力的影响。通过FRIENDSHIP-Framework软件实现球艏高度、长度及横剖面系数等的变化。2.2cw-clpr曲线保持CZB、CBB不变,改变LPR来研究长度系数CLPR对该船阻力性能的影响,计算得到的CW-CLPR曲线如图1所示(文中所有计算均对应实船航速15.0kn),对应不同长度系数的自由水面波形如图2所示。从图1、2可以看出,该散货船的兴波阻力系数随着球艏长度系数的增加而减小,但减小到一定程度有增加的趋势。即存在一个最佳的球艏长度系数。2.3cw-czb曲线保持CLPR,CBB不变,改变ZB来研究高度系数CZB对该型船舶阻力性能的影响,计算得到的CW-CZB曲线如图3所示,对应不同长度系数的自由水面波形如图4所示。从图3、4可以看出,该散货船的兴波阻力系数随着球艏高度系数的增加而增加。因而对于带这种球艏型的散货船,在保证球艏排水体积的基础上,可适当减小高度系数来改善兴波阻力性能。2.4对阻力性能的影响保持CLPR,CZB不变,改变ABT来研究球艏横剖面系数CBB对该型船舶阻力性能的影响。计算得到的WC-CBB曲线如图5所示,对应三个不同长度系数的自由水面波形如图6所示。从图5、6可以看出,该型船舶的兴波阻力系数是随着横剖面面积系数的增大而减小的。2.5最佳试验方案对比通过对球艏优化的CFD计算结果的分析,选取球艏优化得到的最佳改型作为船模阻力试验的方案二(原型作为阻力试验的方案一)。两个方案所对应的特征参数如表2所示,两个方案的线型对比如图7所示。3部优化3.1优化模型参数为了研究艉部形状对船体阻力及艉部伴流场的影响,选取球艉大小系数CAB和高度系数CHH为改型的优化参数。其中球艉的大小系数CAB=a/b,球艉的高度系数CHH=hB/hS,各参数如图8所示,其定义是:a为特征站处球艉的最小宽度;b为特征站处球艉的最大宽度;hB为球艉最大宽度处的垂向高度;hS为桨轴距离基线的高度。3.2桨面轴向速度分布为了研究球艉大小系数CAB的影响,高度系数CHH保持不变,艏部各特征参数为最佳取值,取不同的大小系数CAB。表3中给出了不同大小系数及计算所得总阻力系数和标称伴流分数。图9给出了桨盘面处的轴向速度分布。由表3可以看到随着球艉大小系数CAB的增大,总阻力系数和标称伴流分数都有所降低。3.3桨面轴向速度变化保持大小系数CAB不变及艏部各特征参数为最佳取值,改变hB值来实现高度系数CHH的变化,以此来研究其对船体阻力性能及艉部伴流场的影响。表4中给出了不同高度系数及计算所得总阻力系数和标称伴流分数,图10则给出了桨盘面处的轴向速度分布。从表4可以看出,船体总阻力系数和标称伴流分数随着CHH的增大而略有降低。3.4球优化试验方案通过对球艉优化的CFD计算结果的分析,主要考虑艉部两个特征参数对艉部伴流场的影响,将形成球艉优化得到的改型作为船模试验的方案三。优化所得方案二和方案三的各个特征参数取值如表5所示,线型对比如图11所示。4残余阻力性能17.5万dwt散货船的模型试验在上海船舶运输科学研究所进行,全部试验包括三型船(艏艉各变一个方案)的阻力试验,模型缩尺比为65。三型船模试验所得剩余阻力系数及有效功率的比较分别列于表6、7,方案二和方案三的伴流试验结果则由图12、13给出。分析各方案的阻力试验结果可以看出,两个改型方案的阻力性能都好于原型,其中以方案二最佳,方案三次之。根据试验所得轴向伴流分布表明,方案二和方案三的伴流场基本满足B.S.R.A.(BritishShipResearchAssociation,英国船舶研究协会)伴流场衡准要求,且方案三的艉部伴流场比方案二的相对均匀,伴流梯度相对较小,对推进效率是有利的。5优化方案试验以17.5万dwt散货船为研究对象,应用CAE和CFD技术分别对船体艏、艉部进行多参数多方案变换,并进行数值计算。对多方案的计算结果进行分析及比较后,选择了适合该船的最佳球艏长度系数、高度系数、横剖面系数