水面船自航因子CFD预报研究.pdf

第16卷第7期
船舶力学
Vol 16 No.7
2012年7月
Journal of Ship Mechanics
Jul.2012
文章编号:1007-7294(2012)07-0767-0
水面船自航因子CFD预报研究
戈亮',顺民2,吴乘胜2,邵建南2
(1海军装备部,北京100012中国船舶科学研究中心,江苏无锅214082)
摘要:针对水面船CFD标模KCS,进行基于CFD计算/模拟的自航因子预报研究。比拟基于模型试验的水面船
自航因子预报,文中开展了船模阻力、螺旋桨模型散水和船模自航的数值计算/模拟。通过对CFD计算/模拟结果
的分析,获得KCS实船的自航因子。CFD计算模拟及分析的结果(包括:船模阻力,螺旋某権力、扭矩、效率,实船
自航因子等)都与模型试验结果进行了比较,总体上符合较好
关键词:水面船:自航因子:CFD预报
中图分类号:1U661.3文献标识码:A
CFD prediction of self-propulsion parameters for a surface ship
GE Liang GU Min, WU Cheng-sheng2, SHAO Jian-nan
(I Navy Amament Depar, Beijing 100071, China; China hip Scientific Reseach Center, Wuxi 214082,Chin
Abstract: CFD prediction of sef-propulsion parameters for surface ship KCS is carried out Numerical com-
putation of resistance and wave for the ship model is perormed. Open water performance for propeller mod-
el KP505 is computed numerically Numerical ests of self-propulsion of the ship model are carried out. el-
propulsion parameters are obtained by analyzing the results of CFD simulation. The results of mumerical sim
ulation and analysis agree quite well with the experimental results
Key words: surface ship:; self-propulsion parameters; CFD prediction
近年来,CFD( Computational Pluid Dynamics)技术的快速发展和计算机硬件性能的飞速提高,推动
了以CFD技术为核心的虚拟试验技术在相关工业领域中的广泛应用。以当今美国航空航天领域为
例,CFD约占飞行器气动设计工作量的70%,而风洞试验仅占30%。
在船舶水动力学领域,2004年,由德国HSVA牵头,荷兰 MARIN、瑞典SSPA等国际著名水池联
合发起了虚拟试验水池 VIRTUE( The Virtual Tank Utility in Europe)计划,拟合作开发一套可靠的船舶
水动力性能数值模拟技术,即虚拟水池技术,以极大提高欧洲船舶制造和船舶设计竞争力,增强欧洲
水动力学服务供应机构提供服务的范围和质量以及其研发能力。
国内船舶水动力学领域对于虚拟水池试验技术也十分关注,相关研究机构开展了大量的研究工作,
在很多方面都取得了相当的进展,其中现阶段以船舶快速性虚拟水池试验技术受到的关注最多,发展
也相对成熟。船舶快速性三大试验中:船模阻力数值计算精度满足工程要求叫,已在船舶设计优化中得
到应用;螺旋桨敝水水动力数值预报也达到了相当高的工程实用精度叫,并获得了较多的工程化应用;
收稿日期:2012-05-07
作者简介:戈亮(1978-),男,哈尔滨工程大学船工程学院博士研究生
顾民(19%62-),男,中国船舶科学研究中心研究员。
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船舶力学
第16卷第7期
船模自航数值模拟技术也取得了较大进展2。由此可见,基于CFD的船舶快速性能预报所需的必要
条件已基本具备,而自航因子的预报则是船舶航速/功率性能预报的重要环节。
由于水面船自航模拟的难度和计算量都很大,对于自航因子的CFD预报,国际上目前使用较多
的是RAN/势流混合方法門;在自航数值模拟中,采用体积力代替蝶旋桨,将计算得到的流场作为输
人,采用升力线(面)等勢流方法计算螺旋桨的推力、斑矩;如此反复送代得到自航点及自航因子。
本文采用类似于模型试验的等车速变转速的方法,针对国际通用的标准船模KCS,进行自航因子
的CFD分析、预报,并与模型试验结果进行了比较,总体上符合较好。本文的研究工作,为基于CFD
的船舶快速性能(航速功率)预报铺平了道路。
2数学模型及控制方程
在本文中的水面船自由面绕流问题的数值模拟中,将自由面流动作为两相流(水和空气)来处理,
自由面就是水和空气的交界面;由于流场中流体流动速度与音速相比很小,因此将水和空气都作为不
可压缩流体处理;自由面使用VOF( Volume of Fluid,流体体积)方法处理。这样,水面船自由面绕流向
题数学模型的控制方程包括:连续性方程、体积分数方程、动量方程,以及湍流模型的ん方程和。方程。
21控制方程
不可压缩流体流动的连续性方程为:
V?V=0
其中V为速度矢量。
对于水面船自由面绕流问题这种两相流,水与空气的质量都应该是守恒的。由于流体的不可压缩
性,可以用体积分数写为
V?V=0
计算区域内的每个控制体积都由水和或空气充满,它们的体积分数之和应为1,即
r+=1
其中α表示体积分数,下标a和0分别代表空气和水
两相流同样要满足动量守恒方程
両ら+マ?心市)=-V+ッ?(v?-vFT
其中,p为流体密度是粘性系数;g为重力加速度;是压力。
本文的数值模拟使用RNGk-e两方程湍流模型,其具体形式可以参阅相关文献。
2,2离散格式及求解
控制方程使用有限体积法( Finite Volume Method,FVM)离散,其中对流项采用二阶迎风差分格
式,扩散项采用中心差分格式。离散得到的差分方程组具有高度耦合性和非线性,使用 SIMPLE(Semi-
Implicit Method for Pressure Linked Equations)方法求解,使用多重网格( Multigrid)技术加速收敛。
3计算对象简介
数值模拟中,使用的船模为 KRISO的3600EU集装箱船KCS,桨模为KP505。船模和桨模主要参
数分判列于表1和表2中。
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