实船雷诺数相似船模的数值模拟

实船雷诺数相似船模的数值模拟

0相似船模模型的建立为了研究真实船雷诺数下驱动的性能，可以将实际格栅分为、计算和计算。然而，实际计算网格量大、计算时间长、施工需要大的问题，关于实际观测值的研究很少。raven等人通过cfd方法计算了模型和真实船的阻力，并分析了船舶模型中实际动态阻力变化过程中各阻力成分的体积效应。bhshan等人对atiea船模型和实际船的数值进行了计算和验证。事实上，计量的计算值考虑到粗糙度的影响，这与船模型试验的外部推值一致。刘志华等人提出了在计算值时改变水流粘度系数、实现雷诺数相似的方法，能够准确计算实际船的雷诺数。我们以雷诺数相似的船模型的方法为基础，比较了雷诺数相似模型与实际尺寸之间预测的裸船的阻力、流程图、泵的扬程和电力以及船泵值的自我提升和动力参数。结果表明，雷诺数相似的船模型可以实现船、泵的几何、运动和动态速度的全相似性。1雷诺数类似于船模型，表明实际船的性能1.1来流速度、粘度为保证船模和实船总阻力系数相等,必须满足实船和船模的雷诺数Re和弗劳德数Fr相等:式中:下标s和m分别为实船和模型;L为船长,υ为流体运动粘度;v为来流速度;g为重力加速度.在船模试验时不能满足全相似定律,因此工程实践中船模试验都是在弗劳德数相等的条件下进行的.为实现实船和船模的雷诺数和弗劳德数全相似,在数值计算中可令:引入虚拟流体运动粘度系数之后,流体仍为牛顿流体,流场的基本运动规律不变,因此湍流模型及控制方程不需要调整.1.2实船阻力预报研究对象为DTMB5415.由于DTMB5415没有相关的实船数据,因此本文暂且将模型放大20倍作为实船,实船的阻力数据由船模试验数据通过三因次换算外推得到.本文的计算区域入口取船首向前延伸1倍船长处,出口取船尾向后延伸2倍船长处,侧边界及下方边界均取1倍船长,上方边界取水线上方0.5倍船长.采用VOF的方法来追踪自由液面,湍流模型采用k-ωSST模型,对流项离散选用二阶离散格式.采用分块结构化网格,同时对船首、船尾及静水面进行网格加密,网格节点数320万.船体附近的拓扑及网格分布如图1所示.网格质量检测(determinant>0.45,angle>9)满足计算要求.为实现船模、实船Re和Fr全相似条件,在对船模进行数值模拟时将水的运动粘度按照全相似的条件设置一个虚拟的粘度系数(取为1.067×10-8m2/s).此时,船模的边界层厚度大大降低,为使船模表面网格第一层节点在对数层中,需使船体表面y+在30~300范围内.同时要注意使边界层内部分布足够的网格,以便捕捉边界层内速度和压力的变化.选取低、中、高3个代表性的航速进行计算,3个航速下阻力计算值与试验值外推得到实船阻力如表1所列.进行实船阻力预报,必须要考虑粗糙度的影响.表2中实船阻力预报中粗糙度的影响采用Townsin等人提出的船体粗糙度补贴公式可以看出,合理设置船体表面第一层网格厚度并调整网格分布,虚流体粘度方法结合Townsin经验公式能够较为准确地预报实船阻力.考虑粗糙度的虚流体粘度系数方法阻力计算值与船模试验外推值在3个航速下相差在5%以内.此方法计算所需的网格与普通模型数值模拟的网格量接近,可以快速准确地预报实船阻力.为了进一步验证雷诺数相似船模方法预报实船阻力和流场的可行性,本文也进行了实船的网格划分和计算.针对实尺度计算,本文采用与模型尺度下相似的控制域,并且对船体和水线面附近的网格进行加密,网格数目为1500万,船体表面第一层网格厚度使船体表面y+在30~300之间.对Fr=0.28航速下船模试验、模型雷诺数船模及雷诺数相似船模方法、实尺度计算方法预报的波形及流场结果进行了分析和对比.其中波形的比较结果见图2,桨盘处伴流场比较结果见图3.定义原点为首垂线与水线的交点,x轴指向船尾,y轴指向船体右侧,z轴指向船体上方.由图2可见,船模的数值模拟与船模试验值的波形基本吻合.基于CFD计算的3种方法波形比较接近,但是波幅有细微的差别,其中实船雷诺数下船尾的波幅更大.从图3中桨盘面处的流场可以看出:(1)模型尺度数值模拟能够大致反映出船模伴流的趋势,但是在一些数据点处与试验数据相比仍有偏离;(2)雷诺数相似船模方法与实船计算给出了较为一致的结果,且伴流作用较模型尺度下要弱.主要原因是模型尺度下船尾的边界层较厚,对伴流的影响更加显著.通过对波形和伴流场的比较可以看出:雷诺数相似船模方法和实尺度计算得出的结果较为一致且体现出了实船雷诺数下流场特征:粘性的作用相对较弱,导致伴流较弱,兴波更强,表明了雷诺数相似船模在预报实船桨盘伴流场及实船推进性能的可行性.2罗马数类似于模型泵的预测实际泵性能2.1模型泵和实泵的动力学相似关系在喷水推进船模自航试验或者数值计算时,喷泵的缩尺比较大,产生了明显的尺度效应.通过在数值计算中修改流体粘度系数实现雷诺数相似,可以消除尺度效应的影响,实现实泵和模型泵动力学相似.与上文雷诺数相似船模换算保持一致,实泵和模型泵的轴转速和水的粘度、换算如下.流体粘度轴转速按照泵的相似理论和式(7),实泵和模型泵参数换算如下.扬程流量轴功率式中:下标m为模型泵,下标s为实尺泵.本文计算实泵进口直径为2m,模型泵缩尺1/30,则模型泵进口直径为6.667cm.对模型泵和实泵进行六面体网格划分,采用SST湍流模型,进口为流量边界条件,出口为静压边界条件.泵的网格划分及计算的相关设置参照文献[8-10].2.2虚拟粘度方法本文计算了实泵在设计转速280r/min下5个不同流量的工况,实泵网格节点总数为274万,动力粘度设置为25°时淡水的粘度(8.9×10-4kg/(m·s-1);模型泵推算值1在计算时网格节点总数为75万,动力粘度与实泵计算设置相同;模型泵推算值2计算时网格节点总数为75万,动力粘度设置为虚拟粘度5.42×10-6kg/(m·s-1);模型泵推算值3计算时对模型泵网格加密,网格节点总数为274万,动力粘度仍设置为虚拟粘度5.42×10-6kg/(m·s-1).喷水推进泵内流线分布及4种计算设置预报实泵效率分别见图4,5.自航试验时,喷水推进泵的缩尺比较大,模型泵与实泵之间存在较大的尺度效应.相对于实泵计算值,模型泵推算值1扬程偏低了7%~12%,轴功率偏大了4%~6%,导致效率偏低了11%~17%.可见在喷水推进船模自航试验时,即使保证流量相似,由模型泵推算的到实泵性能存在较大的偏差.通过设置虚拟流体粘度,消除尺度效应带来的影响,实现模型泵与实泵动力学相似.各流量下模型泵推算值2与实尺度计算值相差不大:推算值预报的扬程、效率偏差在1.5%以内,轴功率偏差在3%以内.分析产生偏差的主要原因为模型泵与实泵尺寸相差较大,网格量差别也较大,在数值计算中存在一定数值耗散,导致预报值略有不同.对比实泵计算值,模型泵推算值3预报的扬程偏差在1.5%以内,轴功率偏差在0.1%以内,效率偏差在1.5%以内.模型泵推算值2与实泵计算值偏差主要是因为网格量差别产生的,通过加密网格可以提高模型泵预报精度.综上,运用虚拟粘度的方法能够在模型尺度较好预报实尺度下的性能,克服了实尺度计算计算量过大,传统模型尺度计算或试验存在尺度效应的困难.3船模与实船的模型评价对比从前述计算中可以看出,通过设置虚拟流体粘度可以消除船模、模型泵与实尺度船、泵之间的尺度效应,比较准确地预报实船阻力、流场以及泵的性能,故本方法可以用来求取实船的自航因子.本文对某尾板式喷水推进船实尺度和模型尺度进行结构化网格划分和数值计算.船模的缩尺比为1/30,实尺度网格节点2200万,模型尺度网格节点为650万,船表面第一层网格满足y+在30~300范围内,船尾及流道表面的网格分布如图6.对比雷诺数相似船模与实船在Fr=0.431航速下,实泵转速为263r/min下各参数预报值:相对于实船预报值,雷诺数相似船模预报的船体阻力偏小3%,流量偏大0.3%,推力偏小3.7%,轴功率偏小1.2%,推进效率偏小2.5%.雷诺数相似船模方法与实船计算预报推进性能偏差在工程精度范围内,故可以采用雷诺数相似船模方法代替实船计算预报数值自航点,采用这种方法可以大大减小计算量,减短计算时间.实船雷诺数下船体的兴波如图7所示.本文在船模数值模拟时,对比实际粘度和虚拟粘度时喷水推进器在Fr=0.431航速下,实泵转速为263r/min下性能的差别;相对实尺度雷诺数下计算值,模型雷诺数下计算得到喷水推进器流量偏低5.6%,推力偏低4.7%,轴功率偏大4.9%.这是由船底流场及模型泵性能的尺度效应造成的:模型雷诺数下船底的边界层相对较厚,所以喷水推进器进口速度较低,导致流量降低;由前文可知,受尺度效应的影响,与实尺雷诺数泵相比,模型泵的扬程偏低,轴功率偏大.4雷诺数相似模型的尺度计算1)雷诺数相似船模方法预报实船阻力与船模试验外推值在Fr=0.15~0.41三个航速下差别在5%以内,其流场预报结果与实尺度计算值吻合较好.2)对于缩尺比为1/30的模型泵,雷诺数差别导致的尺度效应最多可能使模型泵效率低17%,通过调整流体粘度系数实现