考慮興波作用的自航船模推進因子計算及預報

考慮興波作用的自航船模推進因子計算及預報

1船舶推進性能與實船差異性比較的數(shù)值計算方法船舶的動力性能是船舶設計中應考慮的基本問題。多年以來,除了經(jīng)驗估算外,船舶設計師們一直是通過開展縮尺船模的自航試驗來了解并分析實船的推進性能,以指導相關的工程設計。由相似律可知,如果試驗船模與實船能滿足傅汝德數(shù)相等、雷諾數(shù)相等以及進速系數(shù)相等,那么船模和實船就可以達到幾何相似、運動相似和動力相似的全相似狀態(tài),然而,在實際情況下,由于縮尺船模與實船無法達到雷諾數(shù)相等,粘性作用力的相似性受到破壞,并產(chǎn)生了尺度效應,使得船模的推進性能與實船存在一定的差異,而這種差異一直以來都沒有一種明確而廣泛適用的方法可以表達,所以人們都是采用一些工程換算方法來處理這一問題(如ΔCT、Δw法和1978ITTC標準方法),這些工程方法在形式上包含大量的經(jīng)驗修正,其結果的準確性與主觀選取的補貼系數(shù)和修正系數(shù)密切相關,特別是對于帶有眾多附體的船舶,由于尺度效應影響大,要確定出合適的修正系數(shù)十分困難,這些因素都在一定程度上降低了工程換算方法的可靠性。目前,隨著船舶計算流體力學的發(fā)展,運用RANS方法對單獨船?；驑５恼承粤鲌鲇嬎阋驯容^成熟,一些學者已經(jīng)開始嘗試對船—槳綜合流場特征與流體動力進行模擬,取得了一定的成果[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。比如Lubke和Mach,Chao,Tahara和Wilson分別運用RANS方法對船模帶螺旋槳工作時的作用力及流場形態(tài)進行了數(shù)值預報。在對縮尺船模進行研究的基礎上,近年來,有學者開始嘗試實船流場的數(shù)值計算研究,比如Tahara和Katsui,Leer-Andersen和Larsson等人都分別開展了實尺度船舶流場的CFD計算。船舶推進性能的CFD計算,是對包括流體粘性、自由面及螺旋槳工作的船舶流場的數(shù)值模擬,這種計算是一種復雜的非定常計算,計算量很大,本文通過分析船舶興波對推進因子的影響方式和程度,提出了忽略興波作用的推進因子數(shù)值計算方法,并對數(shù)值計算方法結果的可靠性進行了驗證。在此基礎上,對實船的推進因子進行了預報。2興波作用對伴流的影響從嚴格意義上講,運用RANS對數(shù)值全相似自航模進行計算,需要建立考慮船體興波和船后螺旋槳工作的空氣—海水兩相粘性流動的計算模型,這種計算十分復雜,特別是自由波面的計算對網(wǎng)格質量要求很高,計算時間很長,給數(shù)值計算帶來了很大的困難。文獻表明,興波作用對伴流的影響主要是由于槳盤面處水質點的軌圓運動而引起的,這種軌圓運動幅度隨著水深的增加成指數(shù)級的衰減,而在靜水中的船體興波是微幅波,這種自由面上較小波幅的波浪對深埋于水下的螺旋槳盤面處伴流的影響是十分微小的,并且對于一般的排水型船舶,尾部安裝的螺旋槳正上方不是自由波面而是船尾部底板,從而使得興波效應無法直接進入螺旋槳盤面處,這樣進一步削弱了興波作用對伴流的影響;另外,推力減額的產(chǎn)生是由于螺旋槳的抽吸作用增大了船體的粘壓阻力和摩擦阻力,對興波阻力的影響甚微,所以興波作用對推力減額分數(shù)的影響可忽略不計?；谝陨戏治?本文在推進因子預報的數(shù)值計算中并不考慮船體興波,但為了使數(shù)值自航船模的螺旋槳推力與船體阻力平衡,興波阻力值仍然進入到確定自航點的計算中。3計算海洋促進因素的方法3.1流體動力學模型對于各種計算模型流場及流體動力的求解采用的基本方法是RANS方法。RANS方程的形式如下:式中:ρ為流體密度;μ為流體粘度;p為靜壓;fi為單位質量的質量力;ui、uj為速度分量。對于船模興波波面的模擬計算,本文采用的是流體積法,這種方法是一種以計算流體占據(jù)網(wǎng)格單元體積份額的途徑來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,需要求解體積分數(shù)的連續(xù)性方程,對q種流體有:式中:aq表示水(q=1)的體積分數(shù)或空氣(q=2)的體積分數(shù),海水的體積分數(shù)和空氣的體積分數(shù)滿足:每個控制體中,流體密度和粘度由體積分數(shù)平均得到:將(4)、(5)式代入(1)式就得到了計算船模興波流場的水-氣兩相流動的動量方程。對于螺旋槳流場的計算,本文采用的是多旋轉系模型。這種模型是建立一個固連于螺旋槳的旋轉坐標系,并將螺旋槳周圍的流域獨立出來,從而使得這個流域的流場在旋轉坐標系下是定常的,而這個流域之外的流域在絕對靜止坐標系下也可以近似認為是定常的,這種處理方式使得螺旋槳旋轉流場的求解得以簡化,其具體細節(jié)見文獻。對于湍流模式,本文所應用的是k-ε兩方程模型的一種改進模式RNGk-ε模型,這種模型是一種適合復雜粘性流場計算的湍流模型。其方程形式如下:湍流脈動動能方程(k方程)為:湍流能量耗散率方程(ε方程)為:式中各項的含義以及常數(shù)的選取見文獻[14-16]。3.2橫剖面圖的設計本文計算對象KCS集裝箱船實船垂線間長為230.0m,型寬為32.0m,設計吃水為10.8m。其設計水線面以下船體橫剖面圖如圖1。該船所匹配的螺旋槳為5葉螺旋槳,剖面形式為NACA66+a=0.8,實槳直徑為7.9m。為了對推進因子的數(shù)值計算方法進行檢驗,本文首先根據(jù)原始試驗資料,對縮尺比為31.6、傅汝德數(shù)為0.26、進速系數(shù)為0.925的自航船模進行了數(shù)值計算,船模興波阻力計算、螺旋槳敞水性能計算以及數(shù)值自航船模的計算中所用的計算流域及網(wǎng)格劃分圖如圖2~4所示。3.3船模興波試驗和自航船模推進試驗結果本文按照上述計算模型和網(wǎng)格系統(tǒng),按照2.2中數(shù)值船模預報實船推進因子的步驟,分別對船模興波阻力、粘性阻力、螺旋槳敞水性能以及數(shù)值自航船模的推進性能進行了計算,并將計算結果與自航船模試驗進行了比較。其中,KCS船模阻力和自航模推進因子的預報結果和螺旋槳的敞水性能預報結果如表1和圖5所示。表1中,η為誤差率。4計算實際船尾的因子4.1實船自航點處的螺旋轉運動學運用數(shù)值方法計算實船的推進因子,首先要確定的是實船的自航點,自航點的確定原則是保證帶槳工作的船體阻力與螺旋槳推力平衡。對應于某一航速Vi,在實船自航點處應有:(12)式中,實船在某一既定航速Vi下的粘性阻力Rvs和螺旋槳推力Ts都是只與螺旋槳轉數(shù)ns相關的函數(shù);由于螺旋槳的工況對興波阻力的影響甚小,所以可認為在航速Vi下Rws隨螺旋槳轉數(shù)的變化可以忽略,并且大小與不帶槳時船體的興波阻力值相等。那么在航速Vi下,通過變化實尺度船的螺旋槳轉速ns大小就可以得到Ts隨ns的變化曲線和隨ns的變化曲線(如圖6所示),這兩條曲線的交點即為該航速下實尺度船的自航點。4.2船舶粘結流場計算模型從上面的分析可以看出,對于船體線型和螺旋槳形狀一定的實船,運用數(shù)值方法對其推進因子進行預報的步驟如下:(1)建立實尺度船不帶槳時的空氣—水兩相流動的粘性流場計算模型,計算實船在不同航速Vi下的興波阻力粘性阻力(2)建立螺旋槳敞水性能的計算模型,計算出螺旋槳的推力系數(shù)和轉矩系數(shù)曲線;(3)建立實尺度船帶槳工作時的單相粘性流動計算模型,按照3.1中所述方法確定實船的自航點以及此時的船體粘性阻力和螺旋槳實際推力Ti;(4)計算實尺度船的推力減額分數(shù)為:(5)結合步驟(2)中得到的螺旋槳敞水性能曲線,按照等推力法,計算實尺度船的實效伴流分數(shù)為wi。4.3實船運行環(huán)境設計實尺度KCS船垂線間長為230.0m,為了與實驗船模的傅汝德數(shù)對應,這里仍然取Fn=0.26,則航速V=12.35m/s,實船運行環(huán)境設為20℃的海水,即流體ν=1.054×10-6m2/s;ρ=1024.73kg/m3;重力加速度g=9.81m/s2。按照4.2節(jié)中實船推進因子數(shù)值預報的一般步驟,可預報得到實船螺旋槳轉速及推進因子的結果如下表2。5自航船模擬計算模型運用數(shù)值計算方法預報船舶的推進因子是一種研究船舶推進性能的有效方法,本文開展了以工程應用為背景的船舶推進