基于cfd的汽车运输滚装船阻力性能研究

基于cfd的汽车运输滚装船阻力性能研究

0货舱利用率低滚船是在开发和运输商业大门时发展起来的一艘四层船舶。滚装船具有装卸效率高,对码头要求低,装卸费用低,机动灵活性强等优点。同时又存在着船舶造价高,货舱有效利用率低,货物装运量少等缺点。汽车运输滚装船PCTC(PureCarTruckCarrier)是一种大型的专门用于运输各种类型汽车的滚装船,它的甲板层数较多,其货舱如一大型停车场,大部分用于停放小汽车,少量装运大型汽车。本文的研究对象“2500车滚装船”就是一种典型的汽车运输滚装船,对其阻力性能的研究分析将为我国滚装船的研制设计提供可靠的依据。125球鼻首的tp-sv型球鼻2500车滚装船主要尺度参数见表1,首尾横剖型线图如图1所示。该船采用的是SV型球鼻首,这样可以兼顾满载和压载状态的阻力性能。其前体的横剖面面积曲线略呈S形,在进流段处较瘦削。船的前体比后体长,最大横剖面位于船舯后第9站位置。2试验结果及分析船模试验是研究船舶阻力性能的主要方法。因此,为了获得2500车滚装船线型的阻力性能而进行了船模阻力试验。试验在上海交通大学船模试验池完成,缩尺比为27.45,试验时水温11.6℃。本次试验结果分别采用傅汝德法和三因次法两种方法进行了计算。根据傅汝德法换算得到实船的总阻力或有效功率值,而三因次法则用以从试验结果中分解出兴波阻力值。试验条件见表2。对应实船Vs=9～20kn的速度拖曳船模,测得船模在不同航速下的阻力值。根据傅汝德法从船模阻力换算得到实船的总阻力或有效功率值,其中摩擦阻力换算公式采用1957ITTC公式,取ΔCf=0.35×10-3。根据模型试验结果得到的剩余阻力系数曲线和实船有效功率曲线分别见图2和图3。3cfd方法的应用除了船模试验以外,还有另一种船舶性能的研究方法——计算流体力学方法。随着计算机技术的飞速发展,船舶CFD(ComputationalFluidDynamics)在近20年有了显著的进展,并逐渐用于生产实践。虽然限于当前的理论水平和计算机的运算速度,CFD方法离精确预报船舶的流体动力性能还有很大的差距。但是,CFD计算的结果仍然具有相对比较的精度,而且它能得到比模型试验更多的流场信息,这在多方案优选和单目标优化中具有很大的意义。为此,采用船舶CFD方法预报2500车滚装船的阻力性能及船体周围的流场特性,以获得更多的信息来深入研究本船的快速性能。本文所采用的船舶CFD专业计算软件为SHIPFLOW系统。3.1无粘结计算方法文中采用的CFD计算软件是FLOWTECHInternational公司的SHIPFLOW软件系统。它的最初版本是在瑞典SSPA和Chalmers科技大学80年代相关研究的基础上开发出来的。SHIPFLOW程序既包含了无粘性计算方法也包括粘性计算方法,且应用广泛。无粘性计算部分可以解决完全非线性问题。而对于粘性计算部分,船的前体的流动通过边界层理论计算,后体的流动则通过RANS(Reynolds-averagedNavier-Stokes)方程来解。3.2增广lans方法SHIPFLOW系统的基本原则是将流场划分为3个区域(如图4),以取得有效的流动方程近似。其区域划分及每个区域使用的CFD方法是:1)势流区。使用基于Dawson方法的二阶面元法计算势流,但通过迭代方法能精确地满足自由液面的边界条件。Dawson方法其实是在叠模绕流基础上慢船条件下的线性化理论。SHIPFLOW系统的势流方法比叠模线性化还要深入一步。在获得线性解后并没有结束计算,而是通过迭代不断重复这个过程,直到迭代收敛就可以得到完全非线性解。2)薄边界层区。使用边界层方法计算船体前部及中部的边界层,该方法基于积分法。积分法依据的是动量的微分方程沿边界层厚度上的积分,使用势流压力分布作为输入参数。计算既能从驻点开始(此时先计算层流再计算过渡流),也可直接从给定站开始解湍流方程。通过船体边界层的计算,可以得到前部2/3的船体上的摩擦阻力。3)湍流区域。使用雷诺平均的N-S方程求解。在直角坐标系中不可压缩流体的RANS可写成:∂Ui∂t+Uj∂Ui∂xj=fi−1ρ∂P∂xi+∂∂xj(υ∂Ui∂xj−uiuj¯¯¯¯¯¯)i,j=1,2,3∂Ui∂t+Uj∂Ui∂xj=fi-1ρ∂Ρ∂xi+∂∂xj(υ∂Ui∂xj-uiuj¯)i,j=1,2,3∂Uj∂xj=0∂Uj∂xj=0式中:Ui是时均速度分量;p是压强;fi是质量力分量;ρ是流体密度;υ是流体的动力粘性系数;ui是相对于时均流速的湍流脉动速度分量;−uiuj¯¯¯¯¯¯-uiuj¯称为雷诺应力。在泊松方程生成的贴体坐标系中求解,流动方程也完全转换到该坐标系。数值方法采用有限差分法,压力和速度耦合采用SIMPLE算法,使用壁面函数和K-ε两方程湍流模式。RANS方程解的边界条件由前面的势流和边界层计算获得。关于SHIPFLOW基本理论的更详细的介绍,可以参阅文献。425船模拖航试验结果由SHIPFLOW软件完成具体数值计算,得到2500车滚装船的CFD计算数值结果。文中数值计算的对象是模型,尺度与船模拖航试验的模型对应,其计算结果包括:波浪/粘性阻力、升力/诱导阻力、名义伴流、升沉和纵倾、波形、压力分布、速度向量、流线等。下面给出部分数值结果,并将阻力计算结果与本船的模型阻力试验结果进行了比较,以研究CFD计算方法的可行性和实用性。4.1设计变刚度的方法船舶CFD的最重要的应用就是从势流解求得波形,并基于波形和压力分布来优化船舶的前体设计。利用比较各设计方案的波形,有经验的设计者可以判断哪一个设计方案的兴波阻力较小。再进一步,利用波形和船体表面压力分布可以启示设计者如何改进船型,以获得较好的性能。对于滚装船线型的计算,这里给出势流非线性自由面边界条件求解得到的波形(Fn=0.244),见图5和图6,h为波高。4.2抗阻效应分析1阻力性能将CFD应用于船舶的另一个目的是预测船舶的阻力性能。经SHIPFLOW软件计算得到对应实船航速Vs=14～20kn下的模型阻力计算结果见表3。2兴波阻力的计算方法根据表3和模型试验得到的阻力结果,将SHIPFLOW理论计算的模型总阻力系数与试验结果的总阻力系数进行比较,两者之间的关系见表4和图7。图8是理论计算得到的兴波阻力系数与试验得到的数值之间的比较。由表4和图7可见,理论预测得到的模型总阻力系数数值与试验数值相比误差较小,两者误差在5%以内。因此,SHIPFLOW程序计算方法对于估算2500车滚装船的总阻力具有一定的准确性,可以为滚装船的线型方案设计提供依据。图8中用于比较的试验资料是利用(1+k)法(基于Prohaska方法确定形状因子)得到的兴波阻力系数。计算结果与试验结果的绝对数值相差较大,但是两者在Fn>0.24区域的变化趋势很相似,可见较高速时的兴波阻力计算值还是具有相对的准确度的。4.3摩擦学性能指导下力船舶尾部流场的预测也是船舶设计者很关心的一个方面,因为这是改善船体粘性阻力性能和螺旋桨盘面处标称伴流分布的重要信息。利用RANS方法SHIPFLOW可以预测伴流中的轴向速度等高线、流体速度矢量等。图9中给出了本船在X/LPP=0.025位置处伴流的轴向速度等高线(Fn=0.244)。5cfd与模型基于本文中2500车滚装船的CFD应用研究,可以得到以下结论:①计算流体力学逐渐成为了试验的一种辅助手段,它可以提供丰富的流场信息,这是模型试验所不能比拟的。但是它的绝对精度还是远低于模型试验,所以不可能完全替代试验。但这两者可互为补充、相互验证,设计者从中能充分提取有效信息,应该是目前可以提高设计水平的好方法。②目前船舶CFD的应用还有局限性,至今大部分程序还只能对模型(Rn=106～107)的阻力性能进行预报。本文中也是计算了模型尺度的阻力,而对于实船(Rn=108～109)阻力性能的预报还存在困难。另外,对于后