雷諾數(shù)對水下船舶cfd試驗(yàn)的影響

雷諾數(shù)對水下船舶cfd試驗(yàn)的影響

cfd用于船舶模型試驗(yàn)的優(yōu)勢是不受物理試驗(yàn)水池的限制。模型規(guī)模可以盡可能大，盡量消除規(guī)模效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)直接實(shí)際船的數(shù)值模擬。關(guān)于船舶規(guī)模的影響主要是基于模型試驗(yàn)的雷諾數(shù)和實(shí)際船的雷諾數(shù)之間的差異。在宏觀阻力方面，有自?；字Z數(shù)。由于船舶模型中的阻力-建造成本效益比較復(fù)雜，但對實(shí)際船舶流動(dòng)場的預(yù)測值很復(fù)雜。文獻(xiàn)中對高雷諾數(shù)下的隨流場進(jìn)行了預(yù)測，并對隨流趨勢進(jìn)行了定性分析。目前高雷諾數(shù)下的繞流計(jì)算,主要受制于計(jì)算機(jī)硬件條件的限制.文獻(xiàn)中報(bào)道用60×104網(wǎng)格計(jì)算了實(shí)船高雷諾數(shù)2.03×109下的黏性流場;文獻(xiàn)中對DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)的全附體潛艇模型SUBOFF進(jìn)行了Re=109下的繞流模擬.結(jié)果表明:對于Re=109下的繞流,采用70×104和106×104網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果差異很小.文獻(xiàn)中則在考慮表面粗糙度影響的情況下討論了適用于實(shí)船尺度雷諾數(shù)計(jì)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(tái)Fluent6.3,采用疊模計(jì)算方法對較寬闊雷諾數(shù)范圍下(Re=3.945×106～1.0×108)的水下船舶全黏流場進(jìn)行了CFD計(jì)算.通過將計(jì)算結(jié)果與模型雷諾數(shù)下的試驗(yàn)值的廣泛比較,研究了雷諾數(shù)對船舶阻力和伴流場的影響,探討了高雷諾數(shù)下CFD計(jì)算對網(wǎng)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(yàn)數(shù)據(jù),并闡釋流動(dòng)的物理現(xiàn)象.共設(shè)計(jì)了2種艉部,一般只有KVLCC2被用于CFD校驗(yàn).試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于風(fēng)洞試驗(yàn),并不存在實(shí)船.本文所用KVLCC2M(見圖1)是在水池試驗(yàn)用船模的制造過程中通過對KVLCC2的原始IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)數(shù)據(jù)進(jìn)行光順后得到的.由于船體幾何與原始IGES數(shù)據(jù)僅有微小的不同,故稱之為KVLCC2M.KVLCC2M一般被用來作為疊模計(jì)算校驗(yàn),其特征尺度和一般的計(jì)算條件為:Re=3.945×106,Fr=0.142.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及網(wǎng)格劃分CFD計(jì)算采用的坐標(biāo)系:坐標(biāo)原點(diǎn)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(yàn)采用的坐標(biāo)系:坐標(biāo)原點(diǎn)位于船舯縱剖面與設(shè)計(jì)水線面的交點(diǎn)上;x軸指向艉、y軸指向右舷、z軸垂直向上.計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較都統(tǒng)一換算到試驗(yàn)坐標(biāo)系中.本文所用試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)研究,故計(jì)算條件從最初的Re=3.945×106拓展至Re=108.雷諾數(shù)的變化通過調(diào)節(jié)速度實(shí)現(xiàn),模型尺度保持不變,計(jì)算采用疊模模型.網(wǎng)格劃分的邊界層最小網(wǎng)格尺度Δyp按下式計(jì)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(dāng)?shù)乩字Z數(shù).邊界層網(wǎng)格要求y+=30～500.本文根據(jù)Re=107,108;y+≈350;Δyp=5,0.63mm設(shè)計(jì)了2種網(wǎng)格,分別命名為網(wǎng)格1(m1)、網(wǎng)格2(m2).圖2所示為2個(gè)雷諾數(shù)下的艉部對稱面網(wǎng)格.3湍流模式一階差分計(jì)算值與試驗(yàn)值計(jì)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(dòng)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(shù)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(shí)的槳盤面上軸向速度等值線計(jì)算值與試驗(yàn)值.由圖可見,計(jì)算值與試驗(yàn)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(gè)“8”字形的上下分布的反向旋轉(zhuǎn)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(jì)算值與試驗(yàn)值的比較.由圖可見,計(jì)算值與試驗(yàn)值符合得較好.4高雷諾數(shù)結(jié)果顯示的分析與比較4.1阻力系數(shù)及形狀因子的估算表1～3所示為2套網(wǎng)格在6個(gè)雷諾數(shù)下的計(jì)算結(jié)果.其中:y+取船體表面最大值;e為誤差.等價(jià)平板摩擦阻力系數(shù)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(shù)試驗(yàn)值為Ct,exp=(1+k)Cf0(3)Ct,exp=(1+k)Cf0(3)形狀因子試驗(yàn)值(1+k)exp=1.2由NMRI提供,其計(jì)算值為(1+k)cal=Ct,calCf0(4)(1+k)cal=Ct,calCf0(4)由表3可見,阻力系數(shù)及形狀因子的計(jì)算誤差都在2.5%以內(nèi).4.2流場模擬結(jié)果圖6所示為同一雷諾數(shù)(Re=3.945×106)下不同網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果(無量綱垂向速度分量wˉˉˉ)wˉ)比較.由圖可見,加密后的網(wǎng)格2對于較低雷諾數(shù)下的流場模擬并不一定合適,表2的Ct值也證實(shí)了這一點(diǎn).圖7所示為2種網(wǎng)格情況下的艉部縱對稱面上流動(dòng)矢量圖.由圖可見,圖7(a)、(b)中,x=0.02Lpp與z=-0.05Lpp交點(diǎn)處的垂向速度矢量方向與圖6是對應(yīng)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(fù));圖7(c)所示的流動(dòng)細(xì)觀結(jié)構(gòu)與圖7(a)一致,即加密后的網(wǎng)格用于描述高雷諾數(shù)流動(dòng)是合適的,它所得到的結(jié)果與較低雷諾數(shù)下粗網(wǎng)格得到的流動(dòng)細(xì)觀結(jié)構(gòu)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(fù)越快.5不符合雷諾數(shù)范圍的數(shù)值模擬(1)一定的網(wǎng)格密度適用于一定的雷諾數(shù)范圍;高雷諾數(shù)下的流場數(shù)值模擬,必須依靠提高網(wǎng)格密度來實(shí)現(xiàn);但適用高雷諾數(shù)的網(wǎng)格并不一定適用于低雷諾數(shù)的.(2)y+