cfd方法在船模試驗(yàn)中的應(yīng)用

cfd方法在船模試驗(yàn)中的應(yīng)用

水流導(dǎo)數(shù)是指選擇船舶的特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（通常是均勻直線運(yùn)行，u.0u.v）u.0u=v=r=0）。每個(gè)方程式（u、v、r等）都會(huì)對(duì)x力、y力和n力產(chǎn)生偏差。船舶在靜水中作自由機(jī)動(dòng)時(shí),船體所受的水動(dòng)力可以看作是水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)和船舶相應(yīng)運(yùn)動(dòng)量計(jì)算結(jié)果的組合。求取水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)有多種方法,拘束船模試驗(yàn)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種。其主要有2個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是拘束船模試驗(yàn),這是到目前為止惟一一種可靠的、能夠獲得比較精確的船舶水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的方法。二是拘束船模試驗(yàn)得到的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)無因次值,可直接用于實(shí)船。日本的野本謙作和第十四屆國(guó)際拖曳水池會(huì)議通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后得出,當(dāng)船模大于一定尺度時(shí)(如4～5m),船模試驗(yàn)得到的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)幾乎不受尺度效應(yīng)的影響。此結(jié)論已成為船舶水動(dòng)力學(xué)界的共識(shí)。拘束船模試驗(yàn)可分為以下幾種:直線拖曳試驗(yàn)、旋臂試驗(yàn)、平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)。直線拖曳試驗(yàn)主要用于測(cè)定船模的位置導(dǎo)數(shù)、控制導(dǎo)數(shù)以及與v,δ相關(guān)的高階導(dǎo)數(shù)和耦合導(dǎo)數(shù);旋臂試驗(yàn)主要用于測(cè)定回轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)Yr,Nr以及和v,δ,r相關(guān)的高階導(dǎo)數(shù)和耦合導(dǎo)數(shù)。平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是除了可以實(shí)現(xiàn)上述裝置的功能外,還可以測(cè)定加速度導(dǎo)數(shù),其典型的運(yùn)動(dòng)方式有:純橫蕩主要用于測(cè)定線加速度導(dǎo)數(shù)Yv˙Yv˙和Nv˙Νv˙;純首搖主要用于測(cè)定角加速度導(dǎo)數(shù)Yr˙Yr˙和Nr˙Νr˙。近10年來,隨著流體力學(xué)粘性流理論的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)速度和容量的迅猛提高,CFD(計(jì)算流體力學(xué))方法已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。在船舶快速性方面,已經(jīng)能夠采用粘性流方法精確地預(yù)報(bào)船舶直航情況下的粘性阻力。在船舶操縱性方面,粘性流方法的應(yīng)用研究也已展開,并且成為國(guó)際船舶水動(dòng)力預(yù)報(bào)的熱點(diǎn)和前沿課題,利用CFD方法求取各個(gè)水動(dòng)力導(dǎo)數(shù),也成為操縱性CFD的重要目標(biāo)之一。到目前為止,國(guó)內(nèi)操縱性CFD的研究多限于直航或固定漂角斜航的研究,對(duì)于船模的旋臂試驗(yàn)和平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)的數(shù)值模擬研究則較少。本文利用CFD方法對(duì)船模的旋臂試驗(yàn)和純橫蕩試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬,取得了初步的成果,可供以后進(jìn)行拘束船模試驗(yàn)的CFD方法研究借鑒。1純水平運(yùn)動(dòng)測(cè)試的數(shù)值模擬1.1船模橫向位移測(cè)力試驗(yàn)純橫蕩運(yùn)動(dòng)是平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(PMM)可以實(shí)現(xiàn)的典型運(yùn)動(dòng)方式之一。如圖1所示,純橫蕩水池中船模沿水池中心線勻速運(yùn)動(dòng)的同時(shí),疊加一個(gè)橫向位移。y=y0sinωt,相應(yīng)的v=y˙=y0ωcosωtv=y˙=y0ωcosωt。由于船模的中心線始終和船池中心線平行,即首向不變,則φ=φ˙=r=0φ=φ˙=r=0。如圖2所示,若將試驗(yàn)中的船?？醋魇庆o止的,則作用于船模上的水流可以分解為2個(gè)分量:一是沿船模X負(fù)方向的水流Fx,大小和船模的試驗(yàn)速度相等;二是沿船模Y方向的水流Fy,速度大小隨時(shí)間呈正弦(或余弦)變化,為v=y0ωcosωt。通過模擬2個(gè)方向上的水流分量,可以求得船模在做純橫蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)的橫向受力Y和力矩N。經(jīng)式(1)和式(2)可求得位置導(dǎo)數(shù)Yv˙?Yv?Nv˙?NvYv˙?Yv?Νv˙?Νv。Yv˙=Y0sinφyaω?Yv˙=Y0cosφyaω2+m?(1)Nv˙=N0sinφnaω?Nv˙=N0cosφnaω2+mxG。(2)Yv˙=Y0sinφyaω?Yv˙=Y0cosφyaω2+m?(1)Νv˙=Ν0sinφnaω?Νv˙=Ν0cosφnaω2+mxG。(2)式中:Y0,N0為測(cè)得的Y方向力和力矩的幅值;φy,φn為Y方向力和力矩與橫向位移之間的相位差;a為橫向位移的幅值;ω為橫向位移的角頻率;m為船模質(zhì)量;xG為船模重心的x坐標(biāo)。1.2船模速度和壁面速度設(shè)定,u計(jì)算域如圖3所示,將邊界條件設(shè)置如下:1)water-in和water-left作為進(jìn)流面,設(shè)置為速度入口,2個(gè)方向的速度為:u=?u0?v=y0sinωt。u=-u0?v=y0sinωt。其中,u0為船模速度;y0為船模橫蕩幅度;ω為船模橫蕩的角速度。2)water-out和water-right作為出流面,設(shè)置條件為壓力出口。3)hull設(shè)置為無滑移的壁面。4)water-up設(shè)置為有滑移的壁面。1.3速度入口邊界由于速度入口Y方向的速度是呈正弦變化的,前半個(gè)周期速度v>0,后半個(gè)周期v<0。當(dāng)v>0時(shí),水流方向在船舶坐標(biāo)系中是沿Y的正向的,即由water-left流入,由water-right流出,這時(shí)將water-left設(shè)置為速度入口是合理的。但是當(dāng)v<0,即水流由water-right流入,由water-left流出時(shí),這時(shí)的water-right應(yīng)設(shè)置為速度入口邊界,而water-left應(yīng)為壓力出口邊界。所以,當(dāng)v<0時(shí)邊界條件設(shè)置是不合理的,這時(shí)得到的船模Y方向受力也是不合理的。但是通過記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),雖然v<0時(shí)的流場(chǎng)是不合理的,但是在多個(gè)周期內(nèi)v>0區(qū)間內(nèi)船模Y方向的受力是穩(wěn)定的,由此判斷,v<0時(shí)間段內(nèi)不合理的流場(chǎng)對(duì)v>0時(shí)合理值的影響是小量,因此v>0時(shí),船模Y方向的受力是可信的。為了得到一個(gè)周期內(nèi)的合理數(shù)值,我們改變邊界條件的設(shè)置,將water-right設(shè)置為速度入口,而將water-left設(shè)置為壓力出口,其他條件保持不變,可以得到v<0時(shí)的合理值,這樣就可以得到整個(gè)周期內(nèi)的受力。2旋轉(zhuǎn)臂試驗(yàn)的數(shù)值模擬2.1cfd的旋臂試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示,旋臂試驗(yàn)在圓形水池中進(jìn)行。其中心處的中心島上伸出一旋臂,船模重心或其船中部固定在沿旋臂的一定位置上,距旋臂轉(zhuǎn)動(dòng)中心的半徑為R,船模的中縱剖面與半徑為R的圓的切線方向可安裝成任意夾角β。實(shí)驗(yàn)時(shí),令旋臂以一定回轉(zhuǎn)速度運(yùn)動(dòng),并強(qiáng)迫船模作一定半徑、一定漂角、一定舵角的定常回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過安裝于船模上的測(cè)量裝置,可以測(cè)得該狀態(tài)相應(yīng)的流體動(dòng)力Y和N。為求解船模的線性回轉(zhuǎn)水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)YrNr,可將模型分別安裝于旋臂的不同半徑處(R1,R2,R3,…),并保持同樣的線速度u1(該值可相應(yīng)于實(shí)船弗勞德數(shù)Fr而確定)做定?；剞D(zhuǎn),則各個(gè)半徑處相應(yīng)于不同的回轉(zhuǎn)角速度r1,r2,r3,…。測(cè)得不同角速度下的力和力矩為:Y(r1),Y(r2),Y(r3),…,N(r1),N(r2),N(r3),…。由Y,N與r之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,繪制成曲線,則r=0處曲線的斜率即為Yr,Nr。下面以無漂角、無舵角旋臂試驗(yàn)為例,討論CFD的旋臂試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法。當(dāng)船模在某一半徑處以線速度u1、角速度r順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí),可以看作是2個(gè)運(yùn)動(dòng)的疊加:一是船模保持船首向不變,以角速度r作順時(shí)針旋轉(zhuǎn),如圖5(a)所示;二是船模以相同的角速度繞其幾何中心轉(zhuǎn)動(dòng),如圖5(b)所示,2個(gè)運(yùn)動(dòng)疊加則可以合成船模無漂角的旋臂運(yùn)動(dòng)。若是有漂角β,則2個(gè)運(yùn)動(dòng)之間需要有一個(gè)相位差,大小亦為β。第一個(gè)運(yùn)動(dòng)又可看作是船模不動(dòng),水流流速不變,但方向以設(shè)定角速度大小,逆時(shí)針變化。分解到XY方向上,就是u,v的大小分別呈余弦和正弦變化,如圖6所示。這樣就可以通過邊界條件的設(shè)置來模擬作用于船模上變化的水流。第二個(gè)運(yùn)動(dòng)可直接模擬。2.2試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和設(shè)置條件計(jì)算域如圖7所示。邊界條件和初始條件設(shè)置如下:1)water-in和water-right作為進(jìn)流面,設(shè)置為速度入口,2個(gè)方向的速度為:u=-u0cosrt,v=-u0sinrt。其中,u0為船模速度;r為船模橫蕩的角速度。這樣可以實(shí)現(xiàn)旋臂試驗(yàn)的分解運(yùn)動(dòng)一。2)water-out和water-left作為出流面,設(shè)置條件為壓力出口。3)hull設(shè)置為無滑移的壁面。4)water-up1和water-up2設(shè)置為有滑移的壁面。5)water-side和water-bottom設(shè)置為內(nèi)流。6)初始化時(shí)要設(shè)定C2中的流場(chǎng)隨時(shí)間作勻速轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為(0,0,0)(船模的幾何中心),轉(zhuǎn)動(dòng)軸為Z軸,角速度大小為-r(方向符合右手定則),實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)二的模擬。2.3y方向上的受力假設(shè)旋臂運(yùn)動(dòng)為順時(shí)針方向,速度入口邊界X和Y方向的速度分別為u=-u0cosrt,v=-u0sinrt。則在速度變化的前1/4周期,u<0、v<0時(shí),水流2個(gè)分量的方向在船舶坐標(biāo)系中是X和Y的負(fù)向,這時(shí)將water-in和water-right設(shè)置為速度入口是合理的。但是1/4周期過后,u>0、v<0,這時(shí)采用原來的入口條件就不合理了。總之,船模Y方向上的受力只有在前1/4周期,數(shù)值是合理的。通過對(duì)Y方向受力的數(shù)值記錄進(jìn)行分析得出,雖然1個(gè)周期內(nèi)后3/4個(gè)周期的邊界設(shè)置是不合理的,但計(jì)算出的流場(chǎng)對(duì)下1個(gè)周期前1/4周期的影響是很小的,也就是說,前1/4周期的數(shù)值是可信的。這樣繼續(xù)根據(jù)u,v的變化情況,合理設(shè)置對(duì)應(yīng)條件下的邊界條件,接續(xù)起來,就可以得到1個(gè)周期內(nèi)的合理數(shù)值。3計(jì)算對(duì)某型艦的純橫蕩試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。3.1水線寬度及正常劑量該艦?zāi)閹虮鞘啄撑災(zāi)Ｐ?。設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)L=4.2m;設(shè)計(jì)水線寬B=0.4617m;正常排水量平均吃水d=0.135m;方型系數(shù)Cb=0.4942;船模質(zhì)量m=13.805kg。3.2面積計(jì)算采用圖3所示計(jì)算域,計(jì)算域的尺度以船長(zhǎng)L為單位。域長(zhǎng)3L;域?qū)扡;域深L,以此為半徑,得半圓柱形自由面下計(jì)算域。3.3網(wǎng)格生成采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,網(wǎng)格尺度:船體表面最小1cm,最大24cm,放大率1.5,網(wǎng)格數(shù)為471364,無扭曲網(wǎng)格。3.4流量模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε(湍動(dòng)能-耗散率)兩方程模型,取值如下:κ=0.0225,ε=0.00792。3.5邊境條件設(shè)定純橫蕩試驗(yàn)橫向位移的幅值為1.3m,角速度為29°/s,各邊界條件設(shè)置如表1所示。3.6計(jì)算計(jì)算時(shí)間76.8s,通過對(duì)Y方向力的變化過程進(jìn)行記錄,得到Y(jié)力穩(wěn)定后幾個(gè)最大值出現(xiàn)的時(shí)間T(s)和幅值Y0如表2所示。3.7水池試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算步驟如下:①取5個(gè)峰值時(shí)的Y0值并求其均值,作為橫向力的幅值,求得Y0=92.41N;②通過讀取數(shù)據(jù)得到Y(jié)力和位移之間的相位差為-56.36°;③由設(shè)定的邊界條件知a