雷諾數對水下船舶cfd試驗的影響

雷諾數對水下船舶cfd試驗的影響

cfd用于船舶模型試驗的優(yōu)勢是不受物理試驗水池的限制。模型規(guī)?？梢员M可能大，盡量消除規(guī)模效應，最終實現(xiàn)直接實際船的數值模擬。關于船舶規(guī)模的影響主要是基于模型試驗的雷諾數和實際船的雷諾數之間的差異。在宏觀阻力方面，有自?；字Z數。由于船舶模型中的阻力-建造成本效益比較復雜，但對實際船舶流動場的預測值很復雜。文獻中對高雷諾數下的隨流場進行了預測，并對隨流趨勢進行了定性分析。目前高雷諾數下的繞流計算,主要受制于計算機硬件條件的限制.文獻中報道用60×104網格計算了實船高雷諾數2.03×109下的黏性流場;文獻中對DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)的全附體潛艇模型SUBOFF進行了Re=109下的繞流模擬.結果表明:對于Re=109下的繞流,采用70×104和106×104網格的計算結果差異很小.文獻中則在考慮表面粗糙度影響的情況下討論了適用于實船尺度雷諾數計算的湍流近壁模型.本文以KVLCC2M為研究對象,基于通用CFD軟件平臺Fluent6.3,采用疊模計算方法對較寬闊雷諾數范圍下(Re=3.945×106～1.0×108)的水下船舶全黏流場進行了CFD計算.通過將計算結果與模型雷諾數下的試驗值的廣泛比較,研究了雷諾數對船舶阻力和伴流場的影響,探討了高雷諾數下CFD計算對網格的要求.1kvlcc2m本文研究對象為KRISO的VLCC2M.KRISO的VLCC被用來為有球鼻艏艉的現(xiàn)代油輪(1997年)提供CFD校驗數據,并闡釋流動的物理現(xiàn)象.共設計了2種艉部,一般只有KVLCC2被用于CFD校驗.試驗數據來源于風洞試驗,并不存在實船.本文所用KVLCC2M(見圖1)是在水池試驗用船模的制造過程中通過對KVLCC2的原始IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)數據進行光順后得到的.由于船體幾何與原始IGES數據僅有微小的不同,故稱之為KVLCC2M.KVLCC2M一般被用來作為疊模計算校驗,其特征尺度和一般的計算條件為:Re=3.945×106,Fr=0.142.2試驗數據及網格劃分CFD計算采用的坐標系:坐標原點位于船縱剖面、船艉、船底基線上;x1軸指向艏、y1軸垂直向上、z1軸指向右舷.試驗采用的坐標系:坐標原點位于船舯縱剖面與設計水線面的交點上;x軸指向艉、y軸指向右舷、z軸垂直向上.計算與試驗數據的比較都統(tǒng)一換算到試驗坐標系中.本文所用試驗數據來源于日本船舶研究所(NMRI),包括形狀因子、槳盤面上的軸向速度等值線圖,及槳盤面上沿z=-0.05Lpp的速度分布(Lpp為垂線間長).由于本文的研究屬于高雷諾數研究,故計算條件從最初的Re=3.945×106拓展至Re=108.雷諾數的變化通過調節(jié)速度實現(xiàn),模型尺度保持不變,計算采用疊模模型.網格劃分的邊界層最小網格尺度Δyp按下式計算:y+=0.172ΔypLRe0.9(1)y+=0.172ΔypLRe0.9(1)式中:L為特征長度,一般取L=Lpp;y+為當地雷諾數.邊界層網格要求y+=30～500.本文根據Re=107,108;y+≈350;Δyp=5,0.63mm設計了2種網格,分別命名為網格1(m1)、網格2(m2).圖2所示為2個雷諾數下的艉部對稱面網格.3湍流模式一階差分計算值與試驗值計算比較湍流模型采用SST(Shear-StressTransport)k-ω模型,壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法,動量方程與壓力的離散都采用二階精度的差分格式,湍流模式采用一階差分.阻力系數一般在迭代1000步后收斂,所有殘差曲線在迭代3000步后收斂.圖3所示為Re=3.945×106時的槳盤面上軸向速度等值線計算值與試驗值.由圖可見,計算值與試驗值吻合得很好.圖4所示為槳盤面上的橫向速度矢量分布.由圖可見,其橫向速度呈一個“8”字形的上下分布的反向旋轉渦對.圖5所示為槳盤面上沿z=-0.05Lpp的無量綱軸向速度分量uˉuˉ的計算值與試驗值的比較.由圖可見,計算值與試驗值符合得較好.4高雷諾數結果顯示的分析與比較4.1阻力系數及形狀因子的估算表1～3所示為2套網格在6個雷諾數下的計算結果.其中:y+取船體表面最大值;e為誤差.等價平板摩擦阻力系數Cf0由ITTC’1957公式估算,Cf0=0.075(lgRe?2)2(2)Cf0=0.075(lgRe-2)2(2)阻力系數試驗值為Ct,exp=(1+k)Cf0(3)Ct,exp=(1+k)Cf0(3)形狀因子試驗值(1+k)exp=1.2由NMRI提供,其計算值為(1+k)cal=Ct,calCf0(4)(1+k)cal=Ct,calCf0(4)由表3可見,阻力系數及形狀因子的計算誤差都在2.5%以內.4.2流場模擬結果圖6所示為同一雷諾數(Re=3.945×106)下不同網格的計算結果(無量綱垂向速度分量wˉˉˉ)wˉ)比較.由圖可見,加密后的網格2對于較低雷諾數下的流場模擬并不一定合適,表2的Ct值也證實了這一點.圖7所示為2種網格情況下的艉部縱對稱面上流動矢量圖.由圖可見,圖7(a)、(b)中,x=0.02Lpp與z=-0.05Lpp交點處的垂向速度矢量方向與圖6是對應的(但兩者方向相反,m1的垂向速度向上為正,而m2的垂向速度向下為負);圖7(c)所示的流動細觀結構與圖7(a)一致,即加密后的網格用于描述高雷諾數流動是合適的,它所得到的結果與較低雷諾數下粗網格得到的流動細觀結構相似.4.3軸向速度分布圖8所示為槳盤面上沿z=-0.05Lpp的軸向速度分布和軸向速度的周向平均值uˉmuˉm隨半徑的變化.由圖可見,隨Re的增大,艉部軸向速度的恢復越快.5不符合雷諾數范圍的數值模擬(1)一定的網格密度適用于一定的雷諾數范圍;高雷諾數下的流場數值模擬,必須依靠提高網格密度來實現(xiàn);但適用高雷諾數的網格并不一定適用于低雷諾數的.(2)y+