移動(dòng)網(wǎng)格滑移技術(shù)在導(dǎo)葉螺旋槳試驗(yàn)中的應(yīng)用

移動(dòng)網(wǎng)格滑移技術(shù)在導(dǎo)葉螺旋槳試驗(yàn)中的應(yīng)用

1槳船干擾技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，ptd技術(shù)逐漸成為工程應(yīng)用中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)手段。這給在研究潛水員的技術(shù)方面提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。通過它，可以數(shù)值模擬艦艇尾流速度分布、船體表面壓力分布、自由表面波形式和波分布、船體阻力和槳船之間的相互干擾問題等。對于槳/船之間相互干擾的數(shù)值模擬，國內(nèi)外現(xiàn)正如火如荼地進(jìn)行著。MoustafaAbdel-Maksoud和KarstenRieck利用商業(yè)軟件CFX對帶與不帶螺旋槳集裝箱船模周圍的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。S.K.Chou等基于勢流/粘流耦合技術(shù)，采用等價(jià)體積力方法數(shù)值模擬槳船干擾問題。Y.Tahara和J.Ando利用自己開發(fā)的自航模擬求解器計(jì)算帶與不帶螺旋槳的KCS集裝箱船周圍的流場(考慮自由表面)，并根據(jù)EFD結(jié)果進(jìn)行校核。與此同時(shí)，在美國海軍研究局（ONR）的支持下，密西西比州立大學(xué)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室與賓夕法尼亞大學(xué)的應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室長期協(xié)作，發(fā)展了計(jì)算艇-槳干擾的數(shù)值算法，取得了很多重要成果。在德國，H.Streckwall和K.Tigges采用移動(dòng)網(wǎng)格滑移交界面技術(shù)數(shù)值模擬吊艙推進(jìn)船舶的尾流場。2003年，在韓國舉辦的第八屆國際數(shù)值船舶水動(dòng)力會(huì)議上，MichaelP.Ebert和JosephJ.Gorski發(fā)表了有關(guān)噴水推進(jìn)船舶周圍粘性流場計(jì)算的論文，文中對噴口入口的邊界層流動(dòng)以及噴口入口邊緣復(fù)雜流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。在國內(nèi)，相關(guān)研究也取得了一定進(jìn)展，如王濤等用CFX-TASCflow對軸對稱體與導(dǎo)管推進(jìn)器組合體的三維復(fù)雜粘性流場進(jìn)行了模擬計(jì)算；張志榮基于混合面模式，采用商業(yè)軟件Fluent對KRISO的3600TEU集裝箱船KCS（帶槳）的尾流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并且對螺旋槳所表現(xiàn)出來的宏觀量（推力和扭矩）進(jìn)行定量比較，對帶槳船體（不考慮自由液面）尾流場作定性分析。本文基于商業(yè)軟件Fluent提供的滑移網(wǎng)格模式對帶前置導(dǎo)葉螺旋槳潛艇自航試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。而后，通過與螺旋槳敞水試驗(yàn)、潛艇阻力試驗(yàn)的數(shù)值模擬相結(jié)合，預(yù)報(bào)自航因子，并根據(jù)水池試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證之?？梢钥闯?，本文對“數(shù)值拖曳水池”的建立進(jìn)行了初步的探索，這對“數(shù)值水池”的發(fā)展將產(chǎn)生較大推動(dòng)作用。2數(shù)學(xué)模型2.1．補(bǔ)充關(guān)系湍流模型不可壓縮粘性流體的連續(xù)性方程和RANS方程可寫成如下形式：應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出的是，方程組（1）、（2）是不封閉的，因此，需要尋求補(bǔ)充關(guān)系（湍流模型）使問題封閉。文中采用RNGk-ε湍流模式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。其湍動(dòng)能方程和耗散率方程如下表示：為了節(jié)省篇幅，對上述四式中各參數(shù)的選取，這里就不再贅述了。至于壁面函數(shù)的匹配，本文所有算例均采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。2.2蝦體表面邊界條件對于自航試驗(yàn)?zāi)M，本文選取的計(jì)算域大小為4L×1L×πL（軸向×徑向×周向），其中L為艇長；對于螺旋槳敞水試驗(yàn)，選取的計(jì)算域?yàn)椋?2D×2.5D×5πD，其中D為螺旋槳直徑。至于邊界條件，通常有兩類：一類是給出邊界上的壓力，另一類是給出邊界上的速度。本文計(jì)算域的邊界包括：入口、出口、壁面、外場等。具體為：a.入口速度：潛艇艇艏向前一倍艇長處，其速度等于來流速度，即，V軑in=V軑0;b.出口壓力：潛艇艇艉向后兩倍艇長處，其壓力等于參考壓力，即，pout=p0;c.壁面邊界：艇體表面設(shè)定為無滑移邊界條件，即，壁面速度為0;d.外場邊界：離艇體對稱軸一倍艇長區(qū)域，設(shè)置與速度入口一致。2.3網(wǎng)格搭接方式對于本研究中的七葉大側(cè)斜槳，由于其幾何扭曲很大，若生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，易出現(xiàn)負(fù)體積。故用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來代替，結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格之間采用設(shè)置交接面的形式進(jìn)行搭接。其中，潛艇主附體區(qū)域均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（見圖1），螺旋槳區(qū)域?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（見圖2）。結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格通過設(shè)置交接面形式搭接（見圖3）：圖中，1、2為網(wǎng)格滑移交接面；3、4、5為結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格搭接交接面。當(dāng)進(jìn)行螺旋槳敞水計(jì)算時(shí)，總的網(wǎng)格數(shù)約110.6萬；對于帶前置導(dǎo)葉潛艇自航試驗(yàn)的數(shù)值模擬，總網(wǎng)格數(shù)約340.6萬。2.4階風(fēng)壓方程采用有限體積法(FVM)離散控制方程和湍流模式。其中，動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能方程、湍流耗散率方程皆采用二階迎風(fēng)格式離散，壓力項(xiàng)也采用二階差分格式。壓力速度耦合迭代采用Simple算法。3高聚物群落體本研究中假想潛艇的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶в卸喾N附體，這些附體包括：指揮臺(tái)圍殼、垂直尾翼和水平尾翼及前置導(dǎo)葉、螺旋槳。三副前置導(dǎo)葉的幾何特征如表1所示、螺旋槳的幾何參數(shù)如表2所示。4計(jì)算與分析4.1試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)報(bào)結(jié)果為了能夠數(shù)值預(yù)報(bào)實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)WT和相對旋轉(zhuǎn)效率ηr，首先需對七葉大側(cè)斜槳敞水試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。表中，D表示螺旋槳直徑，D1表示潛艇最大直徑，L表示潛艇模型長度（L=4.24m）。本試驗(yàn)在0.7倍槳半徑處雷諾數(shù)范圍Rn=(0.33～0.50）×107。試驗(yàn)采用定轉(zhuǎn)速變車速方式進(jìn)行測試（測試點(diǎn)15個(gè)）。對于敞水試驗(yàn)，推力系數(shù)KT0、扭矩系數(shù)KQ0的試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示。從圖中可知，對于螺旋槳推力和敞水效率，數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，除進(jìn)速系數(shù)J較大區(qū)域外，其誤差均在5%以內(nèi)；對于螺旋槳扭矩，在J=0.6～0.9范圍，誤差在5%以內(nèi)；在進(jìn)速系數(shù)較小或者較大區(qū)域，數(shù)值預(yù)報(bào)精度皆顯不足。4.2數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果根據(jù)敞水試驗(yàn)中滑移網(wǎng)格模式應(yīng)用的初步探索，作者采用同樣的數(shù)值方法對自航試驗(yàn)中船后螺旋槳的推力、扭矩進(jìn)行數(shù)值模擬。在試驗(yàn)自航點(diǎn)處，船后螺旋槳推力、扭矩的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較如圖6、7所示。從圖6、7可知，在試驗(yàn)自航點(diǎn)處，船后螺旋槳推力、扭矩的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)了良好的規(guī)律一致性，其相對誤差在5%以內(nèi)。圖中還顯示，船后螺旋槳推力的計(jì)算值均小于試驗(yàn)值，扭矩的計(jì)算值略大于試驗(yàn)值。說明該數(shù)值方法略微低估了船后螺旋槳推力，高估了扭矩。另外，根據(jù)圖7我們可以得到，Re=2.13×107時(shí)，在試驗(yàn)自航點(diǎn)處因前置導(dǎo)葉的存在，引起船后螺旋槳推力、扭矩的增量，結(jié)果如表3所示。從表中可知，該方法能夠較好地表征前置導(dǎo)葉對螺旋槳推力、扭矩的影響，而且前置導(dǎo)葉對螺旋槳推力、扭矩影響的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的量級相當(dāng)接近。圖中，αg表示前置導(dǎo)葉安裝角。其中，αg=0°表示潛艇不帶前置導(dǎo)葉工況。4.3流量因素的預(yù)測值和精度分析4.3.1試驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)4.2節(jié)，我們可以得到在試驗(yàn)自航點(diǎn)處，螺旋槳推力T、扭矩Q和(帶槳)潛艇主附體阻力Rp，如表4所示。為了表征試驗(yàn)自航點(diǎn)和數(shù)值自航點(diǎn)的差別，定義一參數(shù)。根據(jù)表4可得到如下結(jié)果：ESP<0，表明在試驗(yàn)自航點(diǎn)處，潛艇艇體阻力Rp小于船后螺旋槳推力T，這說明螺旋槳轉(zhuǎn)速n偏大，即數(shù)值預(yù)報(bào)自航點(diǎn)處的進(jìn)速系數(shù)J比試驗(yàn)自航點(diǎn)的J要??；ESP>0，說明數(shù)值計(jì)算自航點(diǎn)J要比試驗(yàn)的大。從表5可知，在試驗(yàn)自航點(diǎn)處，當(dāng)潛艇航速增大時(shí)，數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果顯示潛艇阻力Rp（帶槳）與螺旋槳推力T的差值也隨之增大。在Re=1.63×107和Re=1.88×107處，ESP很小，說明數(shù)值預(yù)報(bào)自航點(diǎn)與試驗(yàn)自航點(diǎn)差別很??；當(dāng)Re=2.13×107時(shí)，ESP約為5%，表明數(shù)值預(yù)報(bào)自航點(diǎn)位置J要比試驗(yàn)的大。因此，對于Re=1.63×107和Re=1.88×107，作者選定數(shù)值自航點(diǎn)與試驗(yàn)自航點(diǎn)相同；至于Re=2.13×107，作者采用定航速變轉(zhuǎn)速方法確定數(shù)值自航點(diǎn)，如表6所示。為了能夠預(yù)報(bào)潛艇的推力減額分?jǐn)?shù)t，還需知道潛艇在中速工況下的阻力R值。同樣，為了盡量消除因數(shù)值方法引起的誤差，對于此工況下潛艇阻力，采用與自航試驗(yàn)相一致的數(shù)值方法，計(jì)算結(jié)果見表7。綜上所述，數(shù)值預(yù)報(bào)自航點(diǎn)位置J，以及自航時(shí)船后螺旋槳推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ和（無槳）潛艇阻力R如表7所示。4.3.2激發(fā)內(nèi)航因子能力潛艇模型自航試驗(yàn)的傅氏數(shù)范圍為Fr=0.56～0.79。在此范圍內(nèi)，潛艇阻力受興波影響比較嚴(yán)重。因此，為了能夠盡量準(zhǔn)確評估該數(shù)值方法預(yù)報(bào)潛艇自航因子的能力，需盡量減小自航試驗(yàn)中興波的影響。文獻(xiàn)專門對在不同潛深狀態(tài)下，自由表面興波對潛艇阻力試驗(yàn)的影響進(jìn)行了分析研究。作者根據(jù)文獻(xiàn)的定量研究結(jié)果，對本模型試驗(yàn)的阻力值扣除了興波影響，得到了修正后的R值，見表8；對于自航試驗(yàn)修正，采用劍阻力加潛艇因興波引起的阻力增量作為自航點(diǎn)判斷依據(jù)的方法，得到了在新的自航點(diǎn)位置的螺旋槳推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ，結(jié)果如表8所示。4.3.3數(shù)值結(jié)果的比較根據(jù)表7、8和螺旋槳敞水性能曲線（圖4），利用傳統(tǒng)的等推力法可得到潛艇自航因子和推進(jìn)效率成分，結(jié)果如圖8、9所示。圖8為自航因子和推進(jìn)效率成分隨潛艇航速的變化分布。試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果均顯示，隨潛艇航速的增大，潛艇自航因子和各效率成分大小變化不大。隨著導(dǎo)葉安裝角的增大，對于自航因子和推進(jìn)效率成分的變化趨勢，如圖9所示。除推力減額因子t外，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示了良好的規(guī)律一致性。至于t，因前置導(dǎo)葉安裝角的增大對潛艇阻力的預(yù)報(bào)增加了難度，故隨著導(dǎo)葉安裝角的增大，兩種方法預(yù)報(bào)的t的變化趨勢略顯不同。為了能夠評估該數(shù)值方法的預(yù)報(bào)精度，需對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差分析，結(jié)果如表9所示。表中誤差計(jì)算公式均為：從表中可知，對于實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)WT，該方法的預(yù)報(bào)精度較差，在11%左右；對于推力減額因子t，因其值較小，故預(yù)報(bào)精度也較差，最大相對誤差約17%。對于推進(jìn)效率各成分，如敞水效率η01和相對旋轉(zhuǎn)效率ηr1，該方法預(yù)報(bào)精度很高，均在2%以內(nèi)；如船身效率ηh1，因WT、t結(jié)果，而導(dǎo)致其預(yù)報(bào)精度下降，最大相對誤差達(dá)8%左右。至于總的推進(jìn)效率ηD1，該方法的預(yù)報(bào)精度約5%。前置導(dǎo)葉對潛艇自航因子和各效率成分的影響如表10所示。可以看出，數(shù)值預(yù)報(bào)和試驗(yàn)結(jié)果均顯示：(1)當(dāng)潛艇尾部加裝前置導(dǎo)葉后，WT、ηh1、ηD1都增大，η01、ηr1皆減小；(2)當(dāng)前置導(dǎo)葉安裝角增大，WT、ηh1、ηD1均隨之增大，而η01、ηr1則隨之減小；(3)前置導(dǎo)葉對這些參數(shù)影響的量級，兩種方法預(yù)報(bào)結(jié)果十分接近。可見，該數(shù)值方法能夠很好地預(yù)報(bào)前置導(dǎo)葉對自航因子以及各效率成分的影響。因此，可以據(jù)此方法進(jìn)行前置導(dǎo)葉的實(shí)用化研究。5數(shù)值預(yù)報(bào)精度分析本文作者利用商業(yè)軟件Fluent數(shù)值模擬潛艇的快速性試驗(yàn)，對敞水螺旋槳推力、扭矩和船后螺旋槳推力、扭矩進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)，分析其預(yù)報(bào)精度。而后，根據(jù)這些數(shù)值計(jì)算結(jié)果，建立數(shù)值拖曳水池概念。利用傳統(tǒng)的等推力法，分別計(jì)算潛艇的自航因子和各效率成分，并且依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對其進(jìn)行校核，評估該方法的預(yù)報(bào)精度。文中的數(shù)值預(yù)報(bào)精度分析均是以假定試驗(yàn)結(jié)果為“真值”的前提下進(jìn)行的。根據(jù)上述分析結(jié)果，我們可以得出如下結(jié)論：(1)對于七葉大側(cè)斜槳敞水試驗(yàn)的數(shù)值模擬，在J=0.6～0.9范圍內(nèi)，該方法的數(shù)值預(yù)報(bào)精度在5%以內(nèi)；在進(jìn)速系數(shù)較小或者較大區(qū)域，數(shù)值預(yù)報(bào)精度略顯不足。(2)對于船后螺旋槳水動(dòng)力性能的數(shù)值模擬，在J=0.84～0.94范圍內(nèi)，該數(shù)值方法能夠較好地