cfd技術(shù)在數(shù)值模擬中的應(yīng)用

0cfd技術(shù)的應(yīng)用隨著fd（計(jì)算流量動(dòng)力學(xué)的方法）的發(fā)展，該技術(shù)在船舶性能研究領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。CFD技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)為在船體先期研發(fā)階段將CFD技術(shù)應(yīng)用于母型的選取、線型優(yōu)化及阻力性能評(píng)估等方面;隨著燃油價(jià)格不斷上漲和要求船舶節(jié)能降耗,來(lái)體現(xiàn)船舶的優(yōu)良快速性能。依托工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目“計(jì)算流體力學(xué)的實(shí)用化研究——基于CFD的船舶快速性能優(yōu)化技術(shù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研究”,本文以17.5萬(wàn)dwt散貨船為研究對(duì)象,應(yīng)用CFD軟件和優(yōu)化軟件開展線型優(yōu)化的數(shù)值研究,并進(jìn)行船模試驗(yàn)加以驗(yàn)證。1散貨船優(yōu)化設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)船體線型優(yōu)化、改善船舶快速性能,以7.5萬(wàn)dwt散貨船為研究對(duì)象,其主尺度見(jiàn)表1。結(jié)合FRIENDSHIP-Framework強(qiáng)大的改型、優(yōu)化功能軟件與專業(yè)船舶CFD計(jì)算軟件SHIPFLOW的優(yōu)勢(shì),定義17.5萬(wàn)dwt散貨船的原始線型艏、艉部的若干特征參數(shù)為優(yōu)化變量。球艏優(yōu)化時(shí)以船體興波阻力系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)、球艉優(yōu)化時(shí)以總阻力系數(shù)及標(biāo)稱伴流為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的改型和數(shù)值計(jì)算。對(duì)計(jì)算得到的自由水面波形、船體阻力值及伴流場(chǎng)等開展比較研究,并根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,確定若干船模阻力試驗(yàn)方案,來(lái)驗(yàn)證CFD優(yōu)化的結(jié)論。2部?jī)?yōu)化2.1球長(zhǎng)度、高度系數(shù)及橫剖面系數(shù)為了研究球艏對(duì)船體興波阻力和艏部流場(chǎng)壓力分布的影響,選取了CLPR、CZB、CBB三個(gè)特征參數(shù)為改型的優(yōu)化參數(shù)。其中,CLPR=LPR/LPP為長(zhǎng)度系數(shù),LPR為球艏伸出艏垂線的長(zhǎng)度,LPP為兩柱間長(zhǎng);CZB=ZB/TFT為高度系數(shù),ZB為球艏最前緣點(diǎn)距基線的高度,TFT為艏吃水;CBB=ABT/AM為橫剖面系數(shù),ABT為艏垂線處橫剖面面積,AM為船中橫剖面面積。為了保證排水量在允許范圍內(nèi)變化,還研究了球艏長(zhǎng)度系數(shù)、高度系數(shù)以及橫剖面系數(shù)對(duì)興波阻力的影響。通過(guò)FRIENDSHIP-Framework軟件實(shí)現(xiàn)球艏高度、長(zhǎng)度及橫剖面系數(shù)等的變化。2.2cw-clpr曲線保持CZB、CBB不變,改變LPR來(lái)研究長(zhǎng)度系數(shù)CLPR對(duì)該船阻力性能的影響,計(jì)算得到的CW-CLPR曲線如圖1所示(文中所有計(jì)算均對(duì)應(yīng)實(shí)船航速15.0kn),對(duì)應(yīng)不同長(zhǎng)度系數(shù)的自由水面波形如圖2所示。從圖1、2可以看出,該散貨船的興波阻力系數(shù)隨著球艏長(zhǎng)度系數(shù)的增加而減小,但減小到一定程度有增加的趨勢(shì)。即存在一個(gè)最佳的球艏長(zhǎng)度系數(shù)。2.3cw-czb曲線保持CLPR,CBB不變,改變ZB來(lái)研究高度系數(shù)CZB對(duì)該型船舶阻力性能的影響,計(jì)算得到的CW-CZB曲線如圖3所示,對(duì)應(yīng)不同長(zhǎng)度系數(shù)的自由水面波形如圖4所示。從圖3、4可以看出,該散貨船的興波阻力系數(shù)隨著球艏高度系數(shù)的增加而增加。因而對(duì)于帶這種球艏型的散貨船,在保證球艏排水體積的基礎(chǔ)上,可適當(dāng)減小高度系數(shù)來(lái)改善興波阻力性能。2.4對(duì)阻力性能的影響保持CLPR,CZB不變,改變ABT來(lái)研究球艏橫剖面系數(shù)CBB對(duì)該型船舶阻力性能的影響。計(jì)算得到的WC-CBB曲線如圖5所示,對(duì)應(yīng)三個(gè)不同長(zhǎng)度系數(shù)的自由水面波形如圖6所示。從圖5、6可以看出,該型船舶的興波阻力系數(shù)是隨著橫剖面面積系數(shù)的增大而減小的。2.5最佳試驗(yàn)方案對(duì)比通過(guò)對(duì)球艏優(yōu)化的CFD計(jì)算結(jié)果的分析,選取球艏優(yōu)化得到的最佳改型作為船模阻力試驗(yàn)的方案二(原型作為阻力試驗(yàn)的方案一)。兩個(gè)方案所對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)如表2所示,兩個(gè)方案的線型對(duì)比如圖7所示。3部?jī)?yōu)化3.1優(yōu)化模型參數(shù)為了研究艉部形狀對(duì)船體阻力及艉部伴流場(chǎng)的影響,選取球艉大小系數(shù)CAB和高度系數(shù)CHH為改型的優(yōu)化參數(shù)。其中球艉的大小系數(shù)CAB=a/b,球艉的高度系數(shù)CHH=hB/hS,各參數(shù)如圖8所示,其定義是:a為特征站處球艉的最小寬度;b為特征站處球艉的最大寬度;hB為球艉最大寬度處的垂向高度;hS為槳軸距離基線的高度。3.2槳面軸向速度分布為了研究球艉大小系數(shù)CAB的影響,高度系數(shù)CHH保持不變,艏部各特征參數(shù)為最佳取值,取不同的大小系數(shù)CAB。表3中給出了不同大小系數(shù)及計(jì)算所得總阻力系數(shù)和標(biāo)稱伴流分?jǐn)?shù)。圖9給出了槳盤面處的軸向速度分布。由表3可以看到隨著球艉大小系數(shù)CAB的增大,總阻力系數(shù)和標(biāo)稱伴流分?jǐn)?shù)都有所降低。3.3槳面軸向速度變化保持大小系數(shù)CAB不變及艏部各特征參數(shù)為最佳取值,改變hB值來(lái)實(shí)現(xiàn)高度系數(shù)CHH的變化,以此來(lái)研究其對(duì)船體阻力性能及艉部伴流場(chǎng)的影響。表4中給出了不同高度系數(shù)及計(jì)算所得總阻力系數(shù)和標(biāo)稱伴流分?jǐn)?shù),圖10則給出了槳盤面處的軸向速度分布。從表4可以看出,船體總阻力系數(shù)和標(biāo)稱伴流分?jǐn)?shù)隨著CHH的增大而略有降低。3.4球優(yōu)化試驗(yàn)方案通過(guò)對(duì)球艉優(yōu)化的CFD計(jì)算結(jié)果的分析,主要考慮艉部?jī)蓚€(gè)特征參數(shù)對(duì)艉部伴流場(chǎng)的影響,將形成球艉優(yōu)化得到的改型作為船模試驗(yàn)的方案三。優(yōu)化所得方案二和方案三的各個(gè)特征參數(shù)取值如表5所示,線型對(duì)比如圖11所示。4殘余阻力性能17.5萬(wàn)dwt散貨船的模型試驗(yàn)在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所進(jìn)行,全部試驗(yàn)包括三型船(艏艉各變一個(gè)方案)的阻力試驗(yàn),模型縮尺比為65。三型船模試驗(yàn)所得剩余阻力系數(shù)及有效功率的比較分別列于表6、7,方案二和方案三的伴流試驗(yàn)結(jié)果則由圖12、13給出。分析各方案的阻力試驗(yàn)結(jié)果可以看出,兩個(gè)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。根據(jù)試驗(yàn)所得軸向伴流分布表明,方案二和方案三的伴流場(chǎng)基本滿足B.S.R.A.(BritishShipResearchAssociation,英國(guó)船舶研究協(xié)會(huì))伴流場(chǎng)衡準(zhǔn)要求,且方案三的艉部伴流場(chǎng)比方案二的相對(duì)均勻,伴流梯度相對(duì)較小,對(duì)推進(jìn)效率是有利的。5優(yōu)化方案試驗(yàn)以17.5萬(wàn)dwt散貨船為研究對(duì)象,應(yīng)用CAE和CFD技術(shù)分別對(duì)船體艏、艉部進(jìn)行多參數(shù)多方案變換,并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。對(duì)多方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析及比較后,選擇了適合該船的最佳球艏長(zhǎng)度系數(shù)、高度系數(shù)、橫剖面系數(shù)