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某集装箱船推进性能的数值预报.doc某集装箱船推进性能的数值预报.doc -- 5 元

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专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏某集装箱船推进性能的数值预报熊鹰,刘志华(海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033)摘要数值自航船模预报实船推进性能是一个涉及到船桨、气液两相粘性流场计算的综合性问题。论文分析了船体兴波作用对推进性能的影响,提出将兴波计算从自航船模流场计算中分离的简化计算模型并研究了船模预报实船自航点和推进因子的数值方法,同时对KCS缩尺船模推进性能进行了预报,预报结果与试验吻合较好。论文通过对6条不同缩尺比的KCS自航船模的计算,分析了尺度效应对推进性能预报的影响,得到了一些有意义的结论。关键词自航船模伴流分数推力减额分数自航点尺度效应CFD方法中图分类号U661.3文献标识码ANumericalpredictiononthepropulsionperformanceofacontainershipXIONGYing,LIUZhihua,YEJinming(CollegeofNavalArchitectureandPower,NavalUniv.ofEngineering,WuHan430033,China)AbstractThepredictionofpropulsionfactorsofpropelledshipmodelisanintegrativeproblemthatinvolvescalculationsonshippropellerandairwatertwophasesviscousflowfield.Basedontheanalysisoftheinfluenceofthewavemakingonthepropulsionfactors,asimplificationnumericalmodeltocalculatethepropulsionfactorsofselfpropulsionshipmodelispresented,inwhichthewavemakingsimulationisseparatedformthecalculationontheflowfieldofthepropelledshipmodel.Thenumericalmethodsforpredictingtheselfpropulsionpointandpropulsionfactorsoffullscaleshipbyshipmodelarestudied,andthepropulsionperformanceofscaledKCSshipmodelunderexperimentalconditionisnumericallycalculatedbythemethodsthenumericalresultsareingoodagreementwithexperimentdata.Theinfluenceofthescaleeffectonpropulsionfactorspredictionisstudiedbythecalculationon6KCSscaledpropelledmodelswithdifferentscaledratios.Andsomemeaningfulconclusionsaredrawn.KeywordspropelledshipmodelwakefractionthrustdeductionfractionselfpropulsionpointscaleeffectCFD1.引言船舶的推进性能是船舶设计工程中需要关注的基本问题。多年以来,除了经验估算外,船舶设计师们一直是通过船模自航试验来了解并分析所设计船舶的推进性能,以指导相关的工程设计。目前,随着船舶计算流体力学的发展,运用RANS方法对船模、桨模单独的粘性流场进行计算已成为可能,并逐渐成熟。与此同时,一些学者已经开始尝试对船桨综合流场特征与流体动力进行研究。SchetzFarvin(1979)最先提出了以桨盘面分布的体积力替代螺旋桨作用的处理方法1后来,该方法逐步发展成为能考虑螺旋桨对船体流场影响的准连续法(QuasiContinuousMethod,QCM),并得到了广泛的应用2。近年来,国际上提出了一种船桨直接数值计算方法,该方法将船体和螺旋桨直接共同置于RANS方程的数值计算之中,船体流场采用固定坐标系,螺旋桨流场采用旋转坐标系,其交接面采用滑移网格进行处理。该方法在船体螺旋桨流场计算中也取得了一定的成果36。为了解决运用数值自航船模预报实船推进性能这一工程技术问题,本文根据对船体特点的分析,结合前人取得的成果,提出了一种简化的船桨综合流场计算模型,并对实船自航点及自航因子的数值计算进行了研究,从而形成了一套数值自航船模预报实船推进性能的计算方法,为评估船舶推进性能提供了重要的技术手段。由于尺度效应是影响自航船模预报实船推进性能结果的根本原因,因此本文通过对不同缩尺比的系列自航船模的数值计算,研究了模型尺度对船模标称伴流、实效伴流、推力减额分数以及实船自航点处螺旋桨转速预报结果的影响,并得出了一些有意义的结论。收稿日期20080520.作者简介熊鹰(1958),男,海军工程大学教授,博士生导师.基金项目上海交通大学船舶与海洋工程国家重点实验室基金(20070708).专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏2.数值自航船模的基本计算条件根据船模与实船的相似律,船模与实船应存在以下基本关系6几何相似msmsDDLL(1)傅汝德数相似mmssrmrsgLVgLVFF(2)进速系数相似mmAmssAsmsDnVDnVJJ(3)上式中,sL、mL及sV、mV分别为实船及其船模的特征长度和速度sD、mD及AsV、AmV分别为实桨及其桨模的直径和进速为缩尺比J为螺旋桨进速系数g为重力加速度。由于雷诺数相似条件无法满足,所以一般只要求船模及桨模的雷诺数大于临界雷诺数即可。根据(1)、(2)和(3),可得到数值自航船模计算的基本输入条件为smVV(4)smnn(5)3.自航因子计算模型的分析运用数值自航船模对实船推进性能进行预报,首先要开展自航船模的流场计算。完整的自航船模流场是一个包含船体和螺旋桨的粘性兴波流场,如果要直接运用RANS方法进行求解,需要建立考虑船体兴波和船后螺旋桨工作的空气海水两相粘性流动的计算模型,这种计算十分复杂,特别是自由波面的计算对网格质量要求很高,计算时间很长,给数值计算带来了很大的困难。文献7表明,兴波作用对伴流的影响主要是由于桨盘面处水质点的轨圆运动而引起的,这种轨圆运动幅度随着水深的增加成指数级的衰减,如果船的傅汝德数较低,兴波波幅小,则这种影响是十分微小的,并且对于一般的排水型船,螺旋桨安装处的正上方不是自由波面而是船尾部底板,这样更使兴波作用对伴流的影响大为减小另外,推力减额的产生是由于螺旋桨的抽吸作用增大了船体的粘压阻力和摩擦阻力,对兴波阻力的影响甚微,所以兴波作用对推力减额分数的影响可忽略不计。基于以上分析,本文在自航因子预报的数值计算中并不考虑船体兴波,但为了使数值自航船模的螺旋桨推力与船体阻力平衡,兴波阻力值仍然进入到确定自航点的计算中。4.数值自航船模自航因子的计算方法由于数值自航船模与实船的雷诺数不相等,所以船模的自航点与实船的自航点不存在相似关系。要对实船自航点进行预报,必须在对数值自航船模的计算中引入摩擦阻力修正,摩擦阻力修正值DF为212ffsfmmmmDCCCVSF6式中,m为数值计算中设置的流体密度mS为数值船模的浸湿面积fmC、fsC分别为船模、实船在相当速度时的摩擦阻力系数,可用平板摩擦阻力公式计算fC为实船的摩擦阻力补贴系数,可用下式计算83311064.0105ssfLkC(7)式中,粗糙度表观高度sk可取为4105.1sk(m)。引入摩擦阻力修正后,数值自航船模所对应的实船自航点处的作用力为mDwmvmDmTFRRFR(8)式中,mR、vmR和wmR分别为自航点处数值船模的总阻力、粘性阻力和兴波阻力mT为自航点处螺旋桨专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏的实际推力。对于给定的航速,式8中,数值自航船模的粘性阻力vmR和螺旋桨推力mT都是只与螺旋桨转数mn相关的函数由于螺旋桨的工况对兴波阻力的影响甚小,所以可认为wmR随螺旋桨转数的变化可以忽略,并且大小与不带桨时船模的兴波阻力值相等。那么在某一航速iV下,通过变化自航船模的螺旋桨转速mn大小就可以得到mT随mn的变化曲线和DwmvmFRR随mn的变化曲线(如图1所示),这两条曲线的交点即为该航速下数值自航船模所对应的实船自航点。从上面的分析可以看出,对于船体线型和螺旋桨形状一定的实船,运用数值自航船模预报实船推进性能的步骤如下(1)建立相似船模不带桨时的空气水两相流动的粘性流场计算模型,计算船模在不同航速iV下的兴波阻力wmiR、粘性阻力vmiR(2)建立螺旋桨敞水性能的计算模型,计算出螺旋桨的推力系数和转矩系数曲线(3)建立船模带桨工作时的单相粘性流动计算模型,按照前面所述方法确定数值自航船模的自航点以及此时的船体粘性阻力vmiR和螺旋桨实际推力iT(4)计算自航船模的推力减额分数ivmivmiiTRRt(5)结合步骤(2)中得到的螺旋桨敞水性能曲线,按照等推力法,计算自航船模的实效伴流分数iTw。5.计算结果的验证为了对上述实船自航因子预报方法进行验证,本文首先运用该方法对KRISO的3600TEU集装箱船KCS缩尺船模进行了自航因子预报,并将预报结果与该船模的自航实验作了比较。对船桨单相粘性流场的数值计算,采用的基本方法是RANS方法对于船模不带桨时的空气水两相流动的流场模拟,采用的是流体积法(VolumeofFluidMethod,VOF),其具体细节见文献1013。为了对上述简化计算方法和数学模型进行检验,本文以KRISO的3600TEUKCS集装箱船为对象,计算了其缩尺自航船模的实效伴流分数和推力减额分数,并将计算结果与自航模试验结果进行了比较。KCS集装箱船实船垂线间长为230.0m,型宽为32.0m,设计吃水为10.8m。其设计水线面以下船体横剖面图如图2。该船所匹配的螺旋桨为5叶螺旋桨,剖面形式为NACA66a0.8,实桨直径为7.9m。为了对自航因子的数值计算方法进行检验,本文首先根据原始试验资料,对缩尺比为31.6、傅汝德数为0.26、进速系数为0.925的自航船模进行了数值计算,船模兴波阻力计算、螺旋桨敞水性能计算以及数值自航船模的计算中所用的计算流域及网格划分图如图3~5所示。计算网格的划分保证船体表面第一层网格节点到船体表面距离y的无因次量y大多数都小于8011,总体网格数为54万。螺旋桨敞水流场计算网格划分对螺旋桨附近区域进行了加密,总体网格数为60万。船模自航流场计算域和边界条件的设计大体上与船模兴波流场相同,主要区别是去掉了空气流域,并且由于船后螺旋桨的作用破坏了流场的对称性,需要对整体流场进行模拟计算。进行计算网格划分时,随图1自航点的确定Fig.1Calculationoftheselfpropulsionpoint图2KCS的横剖面图Fig.2BodyplanofLPP84nm0nmTmRmFD专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏00.10.20.30.40.50.60.700.20.40.60.81JKt10KqKtPresentKqPresentKtExp.KqExp.图6螺旋桨敞水性能预报Fig.6Openwaterperformancepredictionofpropeller表1KCS自航模的数值计算Tab.1NumericalcalculationofpropelledKCSmodel着船模缩尺比的不同,对船体表面第一层网格节点到船体表面距离y以及总体网格数作了相应调整,保证无因次量y基本处于小于80的范围内,总体网格数为130~300万,船模尺度越大网格数越多。按照上述方法,采用中国计量学院FLUENT流场计算软件,分别对船模兴波阻力、粘性阻力、螺旋桨敞水性能以及数值自航船模的推进性能进行了计算,并将计算结果与自航船模试验进行了比较。其中,KCS船模阻力和自航模推进因子的预报结果及螺旋桨的敞水性能预报结果如表1和图6所示。从表1所示结果可以看出,本文船桨综合流场数值计算方法能对船体和螺旋桨之间的相互作用进行正确的模拟计算,船后桨的实际推力系数以及实效伴流分数和推力减额分数都与自航船模试验结果十分一致,验证了本文不考虑船体兴波的自航船模推进因子计算方法的有效性。6.自航船模尺度效应对推进性能预报的影响研究运用自航船模对实船推进性能进行预报时,由于雷诺数不同而产生了尺度效应。尽管在确定实船自航点的过程中引入了摩擦阻力修正,克服了自航船模与实船船体阻力中的尺度效应问题,但自航因子中的尺度效应问题仍然没有解决。本文通过对KCS系列自航船模推进性能的计算,研究了尺度效应对推进性能预报的影响。计算中KCS系列自航船模的缩尺比分别为100、80、63.8、50、40、31.6,傅汝德数都为0.26。在确定实船自航点时,兴波阻力计算中兴波阻力系数取自表1。6条自航船模的计算状103Ct103Cv103CwKt1wT1tExp.3.550.1700.7920.853Present3.503.160.340.1740.7550.837η/1.412.354.671.88图3船模兴波阻力计算的网格Fig.3Computationalgridforwaveresistanceofshipmodel图4螺旋桨敞水性能计算的网格Fig.4Computationalgridforopenwatercharacteristicsofpropeller图5船模自航数值计算的网格Fig.5Computationalgridfornumericalselfpropulsionshipmodel
编号:201311161158214469    大小:629.50KB    格式:DOC    上传时间:2013-11-16
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