兩型船模粘性興波流場(chǎng)的分離計(jì)算

兩型船模粘性興波流場(chǎng)的分離計(jì)算

1船舶興波試驗(yàn)結(jié)果船舶振動(dòng)理論已經(jīng)發(fā)展了100多年?；趧?shì)流的波浪理論從michil開(kāi)始，經(jīng)過(guò)haok、kosin和wehs等許多科學(xué)家的努力，理論得到了改進(jìn)。特別是dauson算法采用了重疊模糊性流作為基本流動(dòng)的方法，并采用了在物面、自由面和遠(yuǎn)方控制面上配置randin噴泉源的方法，這使理論模型更加合理，計(jì)算質(zhì)量顯著提高。但勢(shì)流理論畢竟有其不足之處。主要原因在于實(shí)際流體存在粘性,流體微團(tuán)流經(jīng)船體會(huì)產(chǎn)生邊界層流動(dòng),特別是在船體尾部,與勢(shì)流相比,流體的流速要小,邊界層變厚,壓力降低,直接影響到興波阻力計(jì)算結(jié)果的精度。因此,隨著船舶計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展,采用能計(jì)及流體粘性影響的RANS方法對(duì)船舶興波問(wèn)題求解開(kāi)始引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注。GaoQiuxin運(yùn)用RANS方法計(jì)算了5415船模和系列60船模傅汝德數(shù)分別為0.2755和0.316時(shí)的興波流場(chǎng),并研究了數(shù)值算法的計(jì)算效果,所得總阻力計(jì)算結(jié)果與船模試驗(yàn)相比較的誤差約為2%;ZhangZhirong對(duì)Wigley船模在傅汝德數(shù)為0.316時(shí)的粘性自由面流場(chǎng)進(jìn)行了模擬,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合良好;ChangHuaixin結(jié)合RANS方程和SGS湍流模式對(duì)系列60船模在傅汝德數(shù)為0.316下的興波流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算;GuMin對(duì)系列60船模的淺水興波問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算,取得了較好的效果。黃少鋒采用直接求解RANS方程的方法對(duì)肥大型船舶在傅汝德數(shù)低于0.2時(shí)的興波流場(chǎng)和阻力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合。以上的研究雖然涉及到多種船型,成果豐富,但一般都只計(jì)算了一個(gè)傅汝德數(shù)下或很小一段傅汝德數(shù)范圍內(nèi)的船模興波流場(chǎng),并且興波阻力未從總阻力的計(jì)算結(jié)果中分離出來(lái),使得人們對(duì)這一方法可靠性的認(rèn)識(shí)還不很清楚。本文運(yùn)用RANS方程和RNGk-ε湍流模型,對(duì)兩型船模在傅汝德數(shù)為0.15~0.452內(nèi)的興波流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,提出了興波阻力的分離計(jì)算方法,并研究了該方法的適用范圍。2船模的興波波面RANS方程是粘性流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的普適性控制方程,本文以之為求解船模粘性興波流場(chǎng)的基本方程。其形式如下:其中,ρ為流體密度;μ為流體粘度;p為靜壓;fi為單位質(zhì)量的質(zhì)量力;ui、uj為速度分量。對(duì)于湍流模式,本文所應(yīng)用的是k-ε兩方程模型的一種改進(jìn)模式RNGk-ε模型,這種模型是一種適合復(fù)雜粘性流場(chǎng)計(jì)算的湍流模型。其方程形式如下:湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程(k方程)為:湍流能量耗散率方程(ε方程)為:對(duì)于船模興波波面的模擬計(jì)算,本文采用的是流體積法(VolumeofFluidMethod,VOF),這種方法是一種以計(jì)算流體占據(jù)網(wǎng)格單元體積份額的途徑來(lái)跟蹤自由面演化的方法。為了跟蹤空氣和水之間界面的位置,需要求解體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)性方程,對(duì)q種流體有:式中,aq表示水(q=1)的體積分?jǐn)?shù)或空氣(q=2)的體積分?jǐn)?shù),海水的體積分?jǐn)?shù)和空氣的體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足:每個(gè)控制體中,流體密度和粘度由體積分?jǐn)?shù)平均得到:將(6)、(7)式代入(1)式就得到了計(jì)算船模興波流場(chǎng)的水—?dú)鈨上嗔鲃?dòng)的動(dòng)量方程。運(yùn)用VOF法求解艦船的興波,需要建立空氣、海水和船體共同作用的計(jì)算流域,由于計(jì)算中仍然需要求解雷諾平均N-S方程,所以船體的粘性阻力也同時(shí)被求解,從而計(jì)算出的阻力為興波阻力和粘性阻力之和,即總阻力。本文認(rèn)為,船模的興波波面雖然會(huì)引起船模水線(xiàn)面的變化,但由于船模的興波是微幅波,可認(rèn)為它引起的船模浸濕面積的變化非常小,所以興波波面影響下的船模粘性阻力與疊模的粘性阻力十分接近?；谝陨险J(rèn)識(shí),如果將船模粘性興波流場(chǎng)求解所得到的總阻力減去相同速度下疊模的粘性阻力,那么就得到了船模的興波阻力。3算區(qū)域的選取為了對(duì)本文所述計(jì)算模型進(jìn)行檢驗(yàn),這里選擇了2型船模作為計(jì)算對(duì)象。一種是Wigley船模,另一種是M1234船模。其橫剖面圖如圖1所示,主尺度見(jiàn)表1。兩種船模的計(jì)算區(qū)域選取方法相同,其區(qū)域邊界以及邊界條件如下(由于船模左右對(duì)稱(chēng),因此只需計(jì)算一半的流場(chǎng)即可):(1)流體入口從船首向上游延伸一個(gè)船長(zhǎng),邊界條件設(shè)置為來(lái)流的速度值;(2)流體出口從船尾向下游延伸兩個(gè)船長(zhǎng),邊界條件設(shè)置為無(wú)擾動(dòng)時(shí)流體出口壓力值;(3)計(jì)算域的外邊界距船體約一個(gè)船長(zhǎng),邊界條件設(shè)置為無(wú)擾動(dòng)邊界條件;(4)在船體的表面定義無(wú)滑移、不可穿透邊界條件。如圖2和圖3所示,船模興波流場(chǎng)計(jì)算的區(qū)域只比疊模流場(chǎng)計(jì)算的區(qū)域多一個(gè)與吃水深度等高的空氣流域,邊界條件相應(yīng)的細(xì)節(jié)有所修改。4wigery船模的試驗(yàn)結(jié)果本文按照上述計(jì)算模型,分別計(jì)算了Wigley船型和M1234船型在不同長(zhǎng)度傅汝德數(shù)Fr下的粘性興波流場(chǎng)和疊模流場(chǎng),并得到了相應(yīng)的總阻力RT和粘性阻力RV,兩者相減即可得到興波阻力RW。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和表3。Wigley船模和M1234船模興波阻力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的比較分別如圖4和圖5所示。從圖中可以看出,在傅汝德數(shù)Fr小于0.4的低速、中速和中高速區(qū)域,本文計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值十分吻合,但在傅汝德數(shù)Fr大于0.4的高速區(qū)域,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值存在一定的差距。本文認(rèn)為,造成這種差距的原因主要有兩個(gè)方面:一是船模在船池中的拖曳速度變高后,船模噴濺阻力的作用逐漸明顯,而本文所用的計(jì)算模型還并不能對(duì)船模噴濺現(xiàn)象進(jìn)行模擬;第二是隨著船模速度的升高,船模航態(tài)發(fā)生變化,船體重心上移,并且伴隨有尾傾,這就損害了本文在第2節(jié)中興波阻力分離計(jì)算的前提條件,船模在這種航態(tài)下的粘性阻力也必然小于同樣速度下疊模的粘性阻力,使得本文方法在總阻力的基礎(chǔ)上減去了一個(gè)被夸大的粘性阻力,導(dǎo)致了興波阻力比實(shí)際值偏小。圖6-8反映的是本文計(jì)算所得的Wigley船模在3個(gè)傅汝德數(shù)下船體興波波高與試驗(yàn)值的比較。圖中,x為沿船長(zhǎng)方向上的坐標(biāo)值,原點(diǎn)在船舯,船艉為正,船艏為負(fù)。ξ為無(wú)因次波高,計(jì)算式為:式中,h為波面距未擾動(dòng)時(shí)靜水面的高度(m)。圖6-8表明,Fr=0.266和Fr=0.348時(shí),Wigley船模的興波波高的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好;當(dāng)Fr=0.458時(shí),由于速度較高,在船艏噴濺作用和船體航態(tài)改變的影響下,興波波高的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)有一定的差距。5船模興波阻力分離本文運(yùn)用空氣—水兩相流RANS方程計(jì)算了Wigley船模和M1234船模的粘性興波流場(chǎng),并通過(guò)從總阻力中扣除疊模粘性阻力的方法,對(duì)