基于cfd的船舶阻力數(shù)值預(yù)報方法

快速是船舶性能中最重要的性能之一。對于民用船舶來說，快速性的優(yōu)越性對船舶的適用性和經(jīng)濟性有一定的影響。對于軍用海船來說，快速性和改進艦艇的作戰(zhàn)性能密切相關(guān)。速度的優(yōu)點不僅與船舶航行期間的阻力性能密切相關(guān)，還與船舶的提高效率有關(guān)。在這里，主要討論的是，葉片在船舶行業(yè)的阻力報告主要依靠模型試驗。根據(jù)類似的理論，制作了一輛小型船只模型，并在試驗池中進行了試驗。一般來說，模型試驗和預(yù)測船舶阻力的結(jié)果是令人滿意的。大多數(shù)優(yōu)秀船只和重要船只必須進行船模型試驗，以預(yù)測各自的性能。在過去幾十年的船舶快速研究中，船模型試驗是最重要的方法，在某種程度上是唯一的方法。然而，模型測試通常是在簡化后的條件下進行的，不能驗證實際航跡設(shè)計的復(fù)雜性。大多數(shù)船舶的實際航行環(huán)境都是復(fù)雜的。其次，船模和實際船型之間的規(guī)模差異很大，無法完全模擬。近年來,隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和普及,計算流體力學(computationalfluiddynamics,CFD)技術(shù)廣泛運用于流場數(shù)值模擬,其良好的適應(yīng)性和較高的精度,逐漸成為流體動力學研究的重要工具,也為船舶阻力的研究開辟了新的途徑.目前,如何提高CFD方法對船舶粘性流場的預(yù)報精度已經(jīng)成為學術(shù)界的一個研究熱點.文獻中采用CFD技術(shù)和理論計算相結(jié)合的方法對船體阻力進行了預(yù)報,所得的CFD阻力計算值與試驗值平均誤差達到了5.2%,且計算耗時較長.文獻中探討了雙體船阻力計算中的CFD因素對計算結(jié)果的影響,對計算提出了一系列改進方案.本研究結(jié)合某大學船模拖曳水池進行的油船船模試驗,嚴格按照試驗條件進行了數(shù)值流場模型的建立,通過油船型線圖,采用ICEM建模軟件進行處理,基于CFD方法對實船的阻力進行預(yù)報.針對計算準確性和時效性兩方面提出了計算方案,經(jīng)計算驗證具有一定的適用性.1u3000流體的動力特性船體以一定的航速在均勻流體中作直線運動,可視船體模型靜止,來流以速度V從速度入口流進計算域.假定流體是不可壓縮的,則流場的連續(xù)方程為動量方程(N-S方程)為式中:t為時間;ρ為流體密度;μ為流體的動力粘性系數(shù);ui和uj為速度分量時均值;p為靜壓;xi和xj分別為i和j方向上的位置坐標;gi為單位質(zhì)量的重力;為雷諾應(yīng)力.方程中雷諾應(yīng)力項屬于未知量,為使方程組封閉,必須把該應(yīng)力項作某種假設(shè),建立應(yīng)力表達式或者引進新的湍流模型,以此把應(yīng)力項中的脈動值與時均值聯(lián)系起來.通過對不同湍流模型的比較,選用k-ωSST湍流模型將雷諾應(yīng)力的脈動值與時均值聯(lián)系起來,使方程組封閉,該湍流模型在流場模擬中具有較高的精度.若流體粘性影響可以忽略,則動量方程簡化為歐拉(Euler)運動方程2計算模型2.1模型建立與網(wǎng)格劃分計算模型為一方形系數(shù)Cb=0.81的某萬噸級油船,船?？s尺比λ=48.90.實船與模型的主要數(shù)據(jù)如表1.基于Fluent軟件構(gòu)建數(shù)值水池,對船舶阻力性能進行研究,利用Fluent的前處理模塊ICEM導(dǎo)入多種幾何模型和劃分計算區(qū)域網(wǎng)格.網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到CFD計算精度,文中的計算網(wǎng)格類型為混合型網(wǎng)格,船體表面曲線通過CAD文件導(dǎo)入,如圖1.計算區(qū)域建模與網(wǎng)格劃分均在ICEM中進行,船身表面采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格,船首和船尾采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,最后將幾部分網(wǎng)格進行合并,網(wǎng)格總數(shù)為1830459,整個船體網(wǎng)格見圖2.假定水深無限,流域采用長方體流場表達.為保證來流均勻,采取速度入口距離船首為1倍船長,為保證出口不受尾流的影響,出口距離船尾設(shè)置為3倍船長,水深設(shè)置為1倍船長,水池寬度為2倍船長,圖3為數(shù)值拖曳水池示意圖,坐標原點位于船體質(zhì)心處,通過設(shè)定來流速度模擬船體向前航行的狀態(tài).2.2出口邊界與時間步長流域網(wǎng)格劃分如圖4.壁面采取標準壁面函數(shù)處理,進口采用速度入口邊界,由于流動出口的速度和壓力在解決流動問題之前是未知的,出口邊界定義為質(zhì)量出口邊界.在求解參數(shù)的設(shè)置上,選擇SIMPLEC算法進行壓力和速度耦合,壓力采用PRESTO.動量的插值格式采用QUICK格式,其他全部采用一階迎風格式,同時將求解限定項中的最大湍流粘度比值調(diào)大.時間步長根據(jù)船體的最小網(wǎng)格尺寸定義Δt=0.00005,每個時間步長迭代20次,當計算結(jié)果變化較好時,可以適當加大時間步長,以加快計算結(jié)果的收斂.3計算結(jié)果和分析3.1試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析某大學船模試驗池曾對該油船進行系列船模靜水阻力試驗,水池尺寸為:長120m,寬8m,深4m,拖車最高速度為5m/s,最低車速為0.1m/s.船模首垂線后1/20站處安裝了直徑為1mm的激流絲,用以激起紊流.試驗速度范圍對應(yīng)于實船航速7.0~16.0kn,船模阻力值采用R47電測阻力儀測量.船模航速Vm分別取為0.515,0.663,0.810,0.880,0.911,0.960,1.031,0.105,1.178m/s.經(jīng)過一系列Fluent模擬計算,得出了不同航速下的船體阻力.通過1957年國際船模試驗池會議ITTC公式和傅汝德相當平板假定,求解船體的總阻力系數(shù)以及摩擦阻力系數(shù),通過1978年ITTC會議提出的三因次換算(1+k)方法求解粘壓阻力系數(shù),將結(jié)果與試驗值比較(表2).由于總阻力系數(shù)由摩擦阻力系數(shù)和剩余阻力系數(shù)組成,所以可以將CFD計算的各項阻力系數(shù)值與試驗結(jié)果進行比較.通過圖5的曲線比較發(fā)現(xiàn),兩者的吻合度比較理想,所存在的最大誤差在7.38%,最小誤差僅為0.5%.在傅汝德數(shù)較低時,阻力的變化偏大,主要是因為在低航速狀態(tài)下,船舶的阻力值很小,無論是實際的船模試驗還是數(shù)值模擬,細微的干擾都會使計算值或阻力值產(chǎn)生較大的波動,因此在低航速下的阻力值和試驗值具有不穩(wěn)定性.當傅汝德數(shù)達到0.16以上時,總阻力試驗值與CFD計算值吻合度最高.3.2理論計算對比在模型實驗中粘性的影響是不可能避免的,但是CFD可以直接求解Euler方程,模擬計算理想流體繞流下的船體阻力,排除流體粘性對測量興波阻力Cw的干擾.計算區(qū)域依然如圖4所示,采用VOF模型,計算船體的興波,并將粘性流下的興波阻力計算結(jié)果與之比較,結(jié)果見表3.船體剩余阻力包含興波阻力和粘壓阻力,船舶在低速航行時候興波阻力很小,但在高速航行時興波阻力占剩余阻力的比重極大,粘壓阻力將小到可以忽略不計.圖6中實線表示實測的剩余阻力系數(shù)Cr,虛線代表無粘理論下計算得到的興波阻力系數(shù)Cw,點劃線代表粘流下計算得到的興波阻力系數(shù).從圖中可以看出,隨著傅汝德數(shù)的增加,興波阻力逐漸增大,且基于兩種流態(tài)下的理論計算結(jié)果吻合度較好.高速狀態(tài)時,CFD理論計算值相當接近于試驗值;而在低速狀態(tài)時,計算值明顯小于剩余阻力系數(shù)且偏差較高速時大.總體來說基于勢流理論計算得到的興波阻力與試驗值吻合較好,且兩種流態(tài)下的CFD計算值之間誤差很小.由此說明這種計算方法是可行的,而且相對于粘流理論,計算時間更短,時效性更好.4水體阻力預(yù)報與試驗對比根據(jù)船舶阻力預(yù)報方法進行分析討論,提出了基于CFD的阻力數(shù)值預(yù)報方法.分別參考無粘和湍流理論下的阻力情況,對阻力系數(shù)進行對比.基于理想流體假定直接求解歐拉方程獲得興波阻力,基于湍流理論求解獲得船舶總阻力和摩擦阻力.通過對