cfd方法在船模试验中的应用

cfd方法在船模试验中的应用

水流导数是指选择船舶的特定运动状态（通常是均匀直线运行，u.0u.v）u.0u=v=r=0）。每个方程式（u、v、r等）都会对x力、y力和n力产生偏差。船舶在静水中作自由机动时,船体所受的水动力可以看作是水动力导数和船舶相应运动量计算结果的组合。求取水动力导数有多种方法,拘束船模试验是目前应用最为广泛的一种。其主要有2个优点:一是拘束船模试验,这是到目前为止惟一一种可靠的、能够获得比较精确的船舶水动力导数的方法。二是拘束船模试验得到的水动力导数无因次值,可直接用于实船。日本的野本谦作和第十四届国际拖曳水池会议通过大量实验数据分析后得出,当船模大于一定尺度时(如4～5m),船模试验得到的水动力导数几乎不受尺度效应的影响。此结论已成为船舶水动力学界的共识。拘束船模试验可分为以下几种:直线拖曳试验、旋臂试验、平面运动机构试验。直线拖曳试验主要用于测定船模的位置导数、控制导数以及与v,δ相关的高阶导数和耦合导数;旋臂试验主要用于测定回转导数Yr,Nr以及和v,δ,r相关的高阶导数和耦合导数。平面运动机构的优点是除了可以实现上述装置的功能外,还可以测定加速度导数,其典型的运动方式有:纯横荡主要用于测定线加速度导数Yv˙Yv˙和Nv˙Νv˙;纯首摇主要用于测定角加速度导数Yr˙Yr˙和Nr˙Νr˙。近10年来,随着流体力学粘性流理论的不断发展和计算机速度和容量的迅猛提高,CFD(计算流体力学)方法已经越来越多地应用于船舶领域。在船舶快速性方面,已经能够采用粘性流方法精确地预报船舶直航情况下的粘性阻力。在船舶操纵性方面,粘性流方法的应用研究也已展开,并且成为国际船舶水动力预报的热点和前沿课题,利用CFD方法求取各个水动力导数,也成为操纵性CFD的重要目标之一。到目前为止,国内操纵性CFD的研究多限于直航或固定漂角斜航的研究,对于船模的旋臂试验和平面运动机构试验的数值模拟研究则较少。本文利用CFD方法对船模的旋臂试验和纯横荡试验进行了数值模拟,取得了初步的成果,可供以后进行拘束船模试验的CFD方法研究借鉴。1纯水平运动测试的数值模拟1.1船模横向位移测力试验纯横荡运动是平面运动机构(PMM)可以实现的典型运动方式之一。如图1所示,纯横荡水池中船模沿水池中心线匀速运动的同时,叠加一个横向位移。y=y0sinωt,相应的v=y˙=y0ωcosωtv=y˙=y0ωcosωt。由于船模的中心线始终和船池中心线平行,即首向不变,则φ=φ˙=r=0φ=φ˙=r=0。如图2所示,若将试验中的船模看作是静止的,则作用于船模上的水流可以分解为2个分量:一是沿船模X负方向的水流Fx,大小和船模的试验速度相等;二是沿船模Y方向的水流Fy,速度大小随时间呈正弦(或余弦)变化,为v=y0ωcosωt。通过模拟2个方向上的水流分量,可以求得船模在做纯横荡运动时的横向受力Y和力矩N。经式(1)和式(2)可求得位置导数Yv˙‚Yv‚Nv˙‚NvYv˙‚Yv‚Νv˙‚Νv。Yv˙=Y0sinφyaω‚Yv˙=Y0cosφyaω2+m‚(1)Nv˙=N0sinφnaω‚Nv˙=N0cosφnaω2+mxG。(2)Yv˙=Y0sinφyaω‚Yv˙=Y0cosφyaω2+m‚(1)Νv˙=Ν0sinφnaω‚Νv˙=Ν0cosφnaω2+mxG。(2)式中:Y0,N0为测得的Y方向力和力矩的幅值;φy,φn为Y方向力和力矩与横向位移之间的相位差;a为横向位移的幅值;ω为横向位移的角频率;m为船模质量;xG为船模重心的x坐标。1.2船模速度和壁面速度设定,u计算域如图3所示,将边界条件设置如下:1)water-in和water-left作为进流面,设置为速度入口,2个方向的速度为:u=−u0‚v=y0sinωt。u=-u0‚v=y0sinωt。其中,u0为船模速度;y0为船模横荡幅度;ω为船模横荡的角速度。2)water-out和water-right作为出流面,设置条件为压力出口。3)hull设置为无滑移的壁面。4)water-up设置为有滑移的壁面。1.3速度入口边界由于速度入口Y方向的速度是呈正弦变化的,前半个周期速度v>0,后半个周期v<0。当v>0时,水流方向在船舶坐标系中是沿Y的正向的,即由water-left流入,由water-right流出,这时将water-left设置为速度入口是合理的。但是当v<0,即水流由water-right流入,由water-left流出时,这时的water-right应设置为速度入口边界,而water-left应为压力出口边界。所以,当v<0时边界条件设置是不合理的,这时得到的船模Y方向受力也是不合理的。但是通过记录数据发现,虽然v<0时的流场是不合理的,但是在多个周期内v>0区间内船模Y方向的受力是稳定的,由此判断,v<0时间段内不合理的流场对v>0时合理值的影响是小量,因此v>0时,船模Y方向的受力是可信的。为了得到一个周期内的合理数值,我们改变边界条件的设置,将water-right设置为速度入口,而将water-left设置为压力出口,其他条件保持不变,可以得到v<0时的合理值,这样就可以得到整个周期内的受力。2旋转臂试验的数值模拟2.1cfd的旋臂试验实现方法如图4所示,旋臂试验在圆形水池中进行。其中心处的中心岛上伸出一旋臂,船模重心或其船中部固定在沿旋臂的一定位置上,距旋臂转动中心的半径为R,船模的中纵剖面与半径为R的圆的切线方向可安装成任意夹角β。实验时,令旋臂以一定回转速度运动,并强迫船模作一定半径、一定漂角、一定舵角的定常回转运动。通过安装于船模上的测量装置,可以测得该状态相应的流体动力Y和N。为求解船模的线性回转水动力导数YrNr,可将模型分别安装于旋臂的不同半径处(R1,R2,R3,…),并保持同样的线速度u1(该值可相应于实船弗劳德数Fr而确定)做定常回转,则各个半径处相应于不同的回转角速度r1,r2,r3,…。测得不同角速度下的力和力矩为:Y(r1),Y(r2),Y(r3),…,N(r1),N(r2),N(r3),…。由Y,N与r之间的对应关系,绘制成曲线,则r=0处曲线的斜率即为Yr,Nr。下面以无漂角、无舵角旋臂试验为例,讨论CFD的旋臂试验实现方法。当船模在某一半径处以线速度u1、角速度r顺时针运动时,可以看作是2个运动的叠加:一是船模保持船首向不变,以角速度r作顺时针旋转,如图5(a)所示;二是船模以相同的角速度绕其几何中心转动,如图5(b)所示,2个运动叠加则可以合成船模无漂角的旋臂运动。若是有漂角β,则2个运动之间需要有一个相位差,大小亦为β。第一个运动又可看作是船模不动,水流流速不变,但方向以设定角速度大小,逆时针变化。分解到XY方向上,就是u,v的大小分别呈余弦和正弦变化,如图6所示。这样就可以通过边界条件的设置来模拟作用于船模上变化的水流。第二个运动可直接模拟。2.2试验结构和设置条件计算域如图7所示。边界条件和初始条件设置如下:1)water-in和water-right作为进流面,设置为速度入口,2个方向的速度为:u=-u0cosrt,v=-u0sinrt。其中,u0为船模速度;r为船模横荡的角速度。这样可以实现旋臂试验的分解运动一。2)water-out和water-left作为出流面,设置条件为压力出口。3)hull设置为无滑移的壁面。4)water-up1和water-up2设置为有滑移的壁面。5)water-side和water-bottom设置为内流。6)初始化时要设定C2中的流场随时间作匀速转动,转动中心坐标为(0,0,0)(船模的几何中心),转动轴为Z轴,角速度大小为-r(方向符合右手定则),实现对运动二的模拟。2.3y方向上的受力假设旋臂运动为顺时针方向,速度入口边界X和Y方向的速度分别为u=-u0cosrt,v=-u0sinrt。则在速度变化的前1/4周期,u<0、v<0时,水流2个分量的方向在船舶坐标系中是X和Y的负向,这时将water-in和water-right设置为速度入口是合理的。但是1/4周期过后,u>0、v<0,这时采用原来的入口条件就不合理了。总之,船模Y方向上的受力只有在前1/4周期,数值是合理的。通过对Y方向受力的数值记录进行分析得出,虽然1个周期内后3/4个周期的边界设置是不合理的,但计算出的流场对下1个周期前1/4周期的影响是很小的,也就是说,前1/4周期的数值是可信的。这样继续根据u,v的变化情况,合理设置对应条件下的边界条件,接续起来,就可以得到1个周期内的合理数值。3计算对某型舰的纯横荡试验进行数值模拟。3.1水线宽度及正常剂量该舰模为带球鼻首某舰模型。设计水线长L=4.2m;设计水线宽B=0.4617m;正常排水量平均吃水d=0.135m;方型系数Cb=0.4942;船模质量m=13.805kg。3.2面积计算采用图3所示计算域,计算域的尺度以船长L为单位。域长3L;域宽L;域深L,以此为半径,得半圆柱形自由面下计算域。3.3网格生成采用非结构性网格,网格尺度:船体表面最小1cm,最大24cm,放大率1.5,网格数为471364,无扭曲网格。3.4流量模型采用标准κ-ε(湍动能-耗散率)两方程模型,取值如下:κ=0.0225,ε=0.00792。3.5边境条件设定纯横荡试验横向位移的幅值为1.3m,角速度为29°/s,各边界条件设置如表1所示。3.6计算计算时间76.8s,通过对Y方向力的变化过程进行记录,得到Y力稳定后几个最大值出现的时间T(s)和幅值Y0如表2所示。3.7水池试验结果计算步骤如下:①取5个峰值时的Y0值并求其均值,作为横向力的幅值,求得Y0=92.41N;②通过读取数据得到Y力和位移之间的相位差为-56.36°;③由设定的边界条件知a