三體船流場數(shù)值模擬及側(cè)體布置優(yōu)化

三體船流場數(shù)值模擬及側(cè)體布置優(yōu)化

近年來，軍民使用船只的使用有所增加。由于速度快、抗波性和穩(wěn)定性的優(yōu)點，三艘船的研究越來越多。這三艘船的這些優(yōu)點允許人們使用各種民用船只和水面船只。人們普遍認為，高速三艘船是未來航空母艦的潛在類型，因此非常感興趣。因此，有必要深入研究三艘船的阻力特性以及船體周圍的流場，這對優(yōu)化三艘船的船型和提高三艘船的性能起到了積極的作用。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算流量動力學(xué)（cpd）也取得了很大進步。這些軟件在實際應(yīng)用中仍然存在一些不足，但隨著fd的不斷發(fā)展，fluent軟件的開發(fā)呈現(xiàn)出一種趨勢。fluent軟件的設(shè)計基于fd軟件群的概念。不同的格式和數(shù)值方法可以應(yīng)用于相應(yīng)領(lǐng)域的計算速度、穩(wěn)定性和精度。該文利用CFD軟件FLUENT,基于粘性理論,對三體船舶粘性繞流進行研究,計算三體船所受的阻力.1fa1-a和fa1-b.三體船模模型設(shè)計三體船的模型試驗在哈爾濱工程大學(xué)的拖曳水池完成.該船模試驗水池的主要參數(shù)為:長108.0m,寬7.0m,水深3.5m.拖車通過微機控制,穩(wěn)定車速范圍為0.100～6.500m/s.測試使用四分量運動測量儀,用其中的小量程測桿,約束該測量儀測桿的縱蕩和橫搖.數(shù)據(jù)采集與分析是用多通道數(shù)采儀進行.船模試驗的目的是為了驗證理論計算及構(gòu)型優(yōu)化的正確性,文中給出試驗結(jié)果則是為了對CFD軟件模擬粘性流場的結(jié)果的可靠性進行驗證.模型設(shè)計包括了2部分內(nèi)容:1)中、側(cè)體型線的設(shè)計;2)側(cè)體偏移位置的確定.在三體船主、側(cè)體型線已確定的前提下,改變側(cè)體相對于主體的偏移位置,得到2種構(gòu)型,即FA1-A和FA1-B.三體船試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1和圖2.FA1-A試驗三體船模的側(cè)體與主體的尾端平齊,間距為0.4m;FA1-B試驗三體船模相對于FA1-A船模側(cè)體向船首移動0.5m,約在主體中部,間距仍為0.4m.試驗前進行以下工作:1)測量儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接并標定;2)水池表面刮水;3)船模加壓載配重,置入水池按設(shè)計水線調(diào)整浮態(tài)(調(diào)平);4)調(diào)整重心;5)用調(diào)整架對每個構(gòu)型調(diào)整待試驗構(gòu)型的重心Xg和Zg及轉(zhuǎn)動慣量;6)在船模距艏端一站安裝直徑1mm的銅線激流絲;7)置船模于水池,使之與測桿連接,安裝調(diào)正船模中心線;8)每次試驗前做試運行并破水.2來流速度及網(wǎng)格劃分以船模實驗中的模型為對象,對不同航速下的三體船以及改變側(cè)體相對位置的三體船周圍的流場進行數(shù)值模擬,分別計算其所受到的總阻力.一般高速三體船水下部分由中體(主船體)和2個小側(cè)體(輔船體)組成,3個船體均為細長片體,中體比普通單體船更加瘦長(L/B大約在12～18),側(cè)體排水量不超過中體排水量的10%,連接橋?qū)?cè)體與中體連接成一體.這種船型構(gòu)造使高速三體船的興波阻力小,2個側(cè)體又能提供足夠的穩(wěn)性,連接橋還具有提高總縱強度的功能,同時還有利于形成寬闊甲板,為設(shè)備布置提供更大空間.此外,該船型也具有優(yōu)良的耐波性,并可明顯減小縱搖和升沉.計算所用船模水線長2.5m,側(cè)體與主體的間距為0.4m,側(cè)體長0.7m.在FA1-A模型中側(cè)體首部距主體首部1.8m,在FA1-B模型中側(cè)體首部距主體首部1.3m,船體吃水0.1063m.2種情況下的船體構(gòu)型如圖3、4所示.計算所用的來流速度分別為:0.25、0.7、1、1.4、1.7、1.8、2.0、1.9、2.0、2.4、2.7、3.0、3.35、3.7m/s.在考慮自由表面的情況下計算所用的控制域長、寬、高分別為12.5、2.5、3.5m.控制體壁面距浮體首部的距離為1倍船長,距浮體尾部的距離為3倍船長,距主體的距離和距船體底部的距離均為1倍船長,自由液面之上增加1m的空氣層.建模和網(wǎng)格劃分均采用FLUENT的專用前處理器GAMBIT,在使用VOF方法計算時的整個流體域的網(wǎng)格數(shù)為345742個,船體表面及自由液面上均采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并在船體表面加密,流體域內(nèi)采用混合網(wǎng)格.求解域的邊界包括壁面、來流速度進口、自由流出口、水平及垂直對稱面和自由表面.采用FLUENT求解器求解RANS方程,計算中在有自由表面的VOF模型中采用k-ε湍流模型Realizable模型.壓力場和速度場采用SIMPLE方法進行耦合,對流項的離散采用一階迎風(fēng)差分.3fa1-a船型的阻力在帶有自由表面的VOF模型中較為準確的模擬了自由液面對船體的影響,其所得的結(jié)果與實驗值吻合良好.FA1-A和FA1-B2種構(gòu)型的計算結(jié)果對比如圖5所示從以上的結(jié)果可以看出,計算值與實驗值吻合良好,表明了用Fluent軟件計算三體船阻力的可行性和準確性.從計算結(jié)果中也可以看出FA1-A船型的阻力較FA1-B的阻力略有偏小,即按照FA1-A船型安排側(cè)體位置能減小船體總阻力.從試驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比上可以看出,曲線在低速時吻合程度較高速時為差,原因在于計算過程中數(shù)據(jù)存在截斷誤差,并且由于網(wǎng)格數(shù)較大,截斷誤差具有一定的累積.在低速時,船模阻力較小,截斷誤差相對較大;高速時,船模阻力大,截斷誤差相對較小.FA1-A船型主體與側(cè)體之間的干擾較FA1-B船型的更為有利,較有效的減小了阻力,因此阻力值比FA1-B船型的稍小.在此基礎(chǔ)上,還對側(cè)體調(diào)整位置后的FA1-A三體船進行了相應(yīng)的計算,分別將側(cè)體調(diào)整到原距離的1/2和3/2間距,即與主體間距為0.2m和0.6m進行了計算,以比較相應(yīng)的阻力.計算結(jié)果如圖6所示.從以上的計算結(jié)果可以看出,三體船側(cè)體橫向位置距離的改變對阻力的影響不是單調(diào)變化的,FA1-A的側(cè)體位置改變后阻力值都大于原間距下的阻力,即FA1-A的側(cè)體位置已經(jīng)達到較好的減阻效果.4研究三體船的阻力運用FLUENT軟件計算了三體船模FA1-A和FA1-B的總阻力,比較了其阻力性能,并且對阻力性能較好的FA1-A船型進行了改變側(cè)體橫向位置后阻力的計算,通過計算值與試驗值的比較,得到了以下一些結(jié)論:1)計算結(jié)果與試驗值吻合良好,能體現(xiàn)出船型改變后阻力的細微變化,表明了FLUENT軟件用于三體船粘性流場受力計算的可行性和可靠性,這為進一步使用FLUENT研究三體船的阻力提供了可靠的依據(jù)和有效的手段.2)計算結(jié)果和試驗值一致反映FA1-A的阻力小于FA1-B的阻力,即側(cè)體布置在尾部的FA1-A船型在阻力性能上優(yōu)于側(cè)體布置在中部的FA1-B船型,這為三體船的側(cè)體布置提供了一定的參考.3)針對阻力性能較好FA1-A船型,在改變側(cè)體位置后的經(jīng)過作者的反復(fù)計算和對比發(fā)現(xiàn),間距為0.4m時