三种艉部附体方案的粘性阻力数值计算

三种艉部附体方案的粘性阻力数值计算收稿日期!!#$#$’&!修回日期!!#$’’$!基金项目!海洋工程国家重点实验室资助项目#!-$-$作者简介!王展智#’#&.$%男%硕士生%主要研究方向为船舶流体力学%/$0123&N55!:!%!’!&7890!熊!鹰#’#%.$%男%教授%博士生导师%主要研究方向为船舶流体力学%/$0123&\29CDQ2CD#!!’&(7890王展智’!肖!迪!!熊!鹰’!刘志华’#’7海军工程大学船舶与动力学院%武汉:(((!!7中国舰船研究设计中心%武汉:(&:$摘!要!水面船舶艉部附体不但影响船舶的阻力!而且对螺旋桨的伴流分数以及推力减额也会产生较大影响#近年来!越来越多的研究者都重视使用数值方法进行船舶附体优化设计#在分析某排水型水面船舶艉部附体特点以及优化目标后!设计出两套艉部附体优化方案#通过数值计算方法对这(种方案的船体带附体模型在不同雷诺数条件下进行三维粘性流场的数值模拟#分析比较了它们的粘性阻力和螺旋桨桨盘面处的伴流!最后得到双尾鳍附件的最优方案#关键词!粘性阻力$附体优化$伴流分数中图分类号!@&&’7((!!!!文献标志码!=!!!!文章编号!’#.(:&!’#’.:%.%N0-’+(#%(#%(0%#*+&5&$/+,(&0,’,+,*#5(+5*)’1+$$’5*,*’5#4451#(#,,K=B*A61C$562’%bZ=W+2!%bZWB*[2CD’%?Z@A62$641’#’7E933FDF9GB1I13=J862RF8R4JF1CO9NFJ%B1I13@C2I79G/CD2CFFJ2CD%K461C:(((%E62C1!!7E62C1H62S+FIF39S0FCR1CO+FM2DCEFCRFJ%K461C:(&:%E62C1$62,*’#(*&L6FMRFJC1SSFCO1DFM9G1M4JG18FM62S61IFDJF1RFGGF8RC9R9C3Q9CR6FJFM2MR1C8F%P4R13M99CR6FN1VFGJ18R29C1COR6J4MROFO48R29CGJ18R29C7XF8FCR3Q%09JF1CO09JFJFMF1J86FM9G1SSFCO1DFM9SR20251R29CG984M9CR6FC40FJ28130FR69O7LN99SR2040MRFJC1SSFCO1DF81MFMNFJFSJ9S9MFO1GRFJR6F1C13QM2M9GR6F861J18RFJ2MR28M9GR6FMRFJC1SSFCO1DFM9G1M4JG18FM62S1COR6F9P‘F8R2IF9GR6F9S$R20251R29C7B40FJ28138138431R29CM9GR6F(+I2M894MG39NG2F3O2CR6F09OF3N2R6G4331SSFCO1DFMNFJF01OF2CO2GGFJFCRXFQC93OM7=C9SR2040RN2CMVFD81MFN1MD12CFO9CR6FP1M2M9GR6F1C13QM2M1CO890S1J2M9C9GR6FJFM2MR1C8F1COR6FN1VFGJ18R29C9CR6FSJ9SF33FJP31OF773.&’1,&I2M894MJFM2MR1C8F!1SSFCO1DFM9SR20251R29C!N1VFGJ18R29C艉部附体的优化设计近年来越来越受到重视轴支架的优化设计主要考虑支架剖面的翼型以及支架的安装角度有研究者依据预旋流理论(’)设计出节能轴支架它的作用机理是使进入螺旋桨的水流产生与螺旋桨旋向相反的旋转运动%减小了螺旋桨周向诱导的能量损失(!)对于双桨船%取消轴支架和轴包套%将常规船尾改为类似于两个单桨船尾的双尾鳍形状则是另一个思路双尾鳍船的研究起源是瑞典船模试验池HH=HH=认为在小长宽比’大船宽吃水比’中后浮心纵向位置和后体丰满的条件下%宜考虑选用该船型其后%欧美和日本就致力于开发这种船型并应用于大吨位经济性较高的浅水肥大船在我国%系统的双尾鳍船型研究始于!世纪年代中期%并取得了丰硕的成果%如&上海船舶设计院在’#-年设计建造了双尾鳍型的(R的运煤船%成为内河船的经典船型文献(()对双尾鳍与轴支架对排水型船的操纵性影响进行了实验研究与常规的双桨船相比%双尾鳍船型具有阻力小’推进!第!!卷!第’期!!’年!月!!!海军工程大学学报!,W@XB=?W;B=Y=?@BZY/XHZL[W;/B*ZB//XZB*!!!!Y937!!!B97’!;FP7!’!效率高’振动小的特点(:)文中研究的是一条排水型的双桨水面船舶%需要对其艉部附体进行基于阻力方面的优化设计原始附体方案为单臂支架’轴包套和双臂支架由于支架的阻力占船舶总阻力的份额很小%所以文中优化过程中支架剖面翼型’厚度和安装角度等方面不予考虑在原始附体方案的基础上%提出两套方案&方案’是将单臂支架取消%而将轴包套拉长延伸到原来单臂支架的安装位置!方案!是取消轴包套和轴支架%依照船体的基本线型%设计出合适的双尾鳍由于附体安装在水线下比较深的位置%而且相对尺寸比较小%因而认为附体阻力成分是摩擦阻力和粘压阻力(%)通过数值方法%不考虑自由液面的影响%对这(种不同的附体方案在不同雷诺数下的船体和附体整体粘性流场信息进行求解%然后比较分析它们的粘性阻力和水动力性能%从而得到最终的附体优化设计方案’!计算数学模型878!控制方程船舶航行的水域属于牛顿流体%牛顿流体运动满足瞬态B$H方程由于船舶尺度大’航速高%雷诺数一般都在’以上%为完全的湍流流场%各物理量都具有脉动特性如果直接求解这样的流场%需要采用对计算机内存和速度要求很高的直接模拟方法%但是目前还不能在实际工程中采用因此%在B$H方程的统计平均方法之上补反映充湍流特性的其它方程%如湍动能方程和湍流耗散率方程%是目前基本的方法雷诺平均B$H方程为..=#E!$..B.#E!E.$&’.9.B!..B.)#.E!.B..E..B!$’!().E0.B0.!()...B.#’EW!EW.$7!#’$式中的变量都是时历平均值%其中&为流体密度!9为静压!7!为单位质量的质量力!E!’E.为速度分量!.EW!EW.为代表湍流效应的雷诺应力项不可压缩粘性流体的连续性方程为..=..B.#E!$&#!$!!为了求解雷诺平均B$H方程中增加的雷诺应力%需要额外增加方程%使雷诺应力中的脉动值与时均值联系起来%使方程组封闭%即湍流模型而湍流的内在机理没有被人们真正了解%迄今尚未认定一种解决湍流问题的最佳方法(&)文中采用的湍流模型为XB*#.-模型%这种湍流模型是标准#.-模型的改进形式%它修正了湍动粘度%考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况!增加了反映主流时均应变率(-)该模型是一种适合船舶流场计算的湍流模型%文中仅给出其基本形式%具体的推导过程见文献()其方程形式如下&湍流脉动动能方程##方程$为..=##$..B!##E!$&..B.#))R,#$.#.B().?#’-#($!!湍流能量耗散率方程#-方程$为..=#-$..B!#-E!$&..B.#))=,-$.-.B().S-’-#?#’S-!-!#’@-#:$式中%湍动粘性系数)ReS)#!-!湍动生成项?#e)RI!%Ie!I!.I!槡.%I!.为平均应变张量%I!.e’!#.E!.B.].E..B!$!XB*#.-模型特有的控件@-eS)+(#’.+++$’]#+(--!#%+eI#-%S)e2:%%+e:2(%#e2’!!,#e’2(#%,-e’2(#%S-’e’2:!%S-!e’2&87?!计算对象该双桨排水型水面船的计算模型水线长:20%水线宽7:-’%0%吃水7’!#&0%浸湿面积-&:-海!军!工!程!大!学!学!报!!!!!!!!!!!第!!卷!’7#!%0!根据前面的分析%将对这(种附体方案分别进行船体带附体的建模%在不同雷诺数条件下进行粘性阻力的数值计算计算对象共有(个&一是船体带原始附体%即主船体和单臂支架加双臂支架!二是船体带长轴包套和双臂支架%即主船体和拉长延伸到原来单臂支架的安装位置的长轴包套再加上双臂支架!三是船体带双尾鳍%即主船体加上依据船体基本线型自行设计的合适的双尾鳍87@!边界条件及流域流体入口从船舶艏端向上游延伸至’倍船长处%边界条件设置为来流的速度值!流体出口从船舶艉端向下游延伸至’倍船长处%边界条件设置为流体出口压力值!流域的外边界距船舶设计水线面的纵向中心线’倍船长%设置为无扰动边界条件!由于没有考虑自由液面的影响%流域的上边界按照对称面处理!在船体的表面定义无滑移’不可穿透边界条件87A!几何建模及网格划分计算网格的好坏直接影响到数值计算的可行性’收敛性以及计算精度(#)文中对带附体的船体建模包括了单臂支架’双臂支架’轴包套’轴和尾鳍等附体由于这些附体具有独立的几何形状%而且它们图’!原始方案的表面网格!;2D7’!H4JG18F0FM69G9J2D2C1381MF与船体曲面相交产生了复杂的交贯线%在这种情况下%构建满足一定分辨率的单块网格结构系统是不可能的针对不同附体的形状和它们与船体曲面相交位置的特点%文中首先建立了许多的结构’非结构组合网格分块%然后运用网格对接技术将这些分块组合成完整的计算模型采用有限体积法离散控制方程和湍流模式%对流项采用二阶迎风格式进行离散%扩散项采用中心差分格式%压力速度耦合迭代采用HZ_?/方法(种附体方案的网格划分情况如图’.(所示!!图!!长轴包套方案的表面网格!!;2D7!!H4JG18F0FM69G39CDM61GR89IFJM81MF!!图(!双尾鳍方案的表面网格!!;2D7(!H4JG18F0FM69GRN2CMVFD81MF!!计算结果及分析根据上述网格划分以及计算方法%利用;?@/BL软件得到了这(种附体方案在&种航速下的粘性阻力图:则给出了(种艉部附体方案在不同速度下的粘性阻力曲线从图中可以看出&!!图:!三种艉部附体方案的粘性阻力曲线!!;2D7:!E4JIFM9GI2M894MJFM2MR1C8F9GR6JFFMRFJC1SSFCO1DF81MFM!’$(种方案中%原始附体方案的阻力最大%长轴包套方案次之%双尾鳍方案的阻力最小与原始附体方案比较%长轴包套方案的粘性阻力降低了!M左右!而双尾鳍方案却较大地减小了粘性阻力%各傅汝德数下都比原始附体方案降低了’(M以上!$在计算范围内%随着航速的增加%长轴包套方案和双尾鳍方案的粘性阻力减小更加明显由此可见%双尾鳍的减阻效果是最明显的这主要是因为双尾鳍船型将常规的单尾改成了!个瘦长双--:-!第’期!王展智等%三种艉部附体方案的粘性阻力数值计算!!!尾%显著减小了横向绕流%造成纵流趋向%使去流段百分数增加%去流角大大减小%基本不会发生流线分离现象%艉部流场比较流畅%减小了粘压阻力并且双尾鳍的设计使轴从双尾片体穿出后直接与螺旋桨相连%省去了轴包套’轴支架等附体%减小了阻力而轴支架设计在尾部流场中显得比较突兀%改变了尾部的流场%造成不均匀%增加了船舶的阻力在计算船体带附体阻力的同时%计算了螺旋桨桨盘面处的伴流测量结果表明%与轴向伴流速度相比较%周向径向两种分量为二阶小量%所以文中仅考虑轴向伴流伴流分数’的计算公式为’e#T.E$+T%其中T为无限远来流速度%E为桨盘面处当地流场速度伴流取值采用的极坐标如图%所示%坐标原点为桨盘面中心点图&.则显示了(种附体方案在螺旋桨桨盘面各半径处的伴流值图%!桨盘面伴流坐标系;2D7%!E99JO2C1RFMQMRF09GN1VF!9CSJ9SF33FJP31OF!!图&!原始附体方案桨盘面各半径处伴流分数;2D7&!K1VF9CSJ9SF33FJP31OF9G9J2D2C1381MF1RO2GGFJFCRJ1O24M!!图-!长轴包套方案桨盘面各半径处伴流分数;2D7-!K1VF9CSJ9SF33FJP31OF9G39CDM61GR89IFJ81MF1RO2GGFJFCRJ1O24M!图!双尾鳍方案桨盘面各半径处伴流分数;2D7!K1VF9