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浸没式喷水推进内河运输船舶船体与 推进器的匹配设计及推进性能预报
目录
2.1.1螺旋桨的直接计算 3
2.1.2螺旋桨模型 4
6.验证与确认 11
7.参考文献 11
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编辑/更新 |
已批准 |
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第27届ITTC船舶水动力学CFD专家委员会 |
ITTC 2014 |
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日期02/2014 |
日期09/2014 |
船舶自航CFD实用指南
- 概述
这些指南是对ITTC指南7.5-03-02-03（2011）“船舶CFD应用实践指南”的补充，此处推荐的规程应与这些指南相一致。
自航因子CFD计算基本上模仿了ITTC建议的规程和指南“测试和外推方法，性能推进测试” 7.5-02-03-01.1（2002）。自航推进因子的CFD评估本质上需要来自三种不同的测试数据：阻力测试、自航测试和螺旋桨敞水测试。对推进因子进行全数据评估时，前两个试验通常使用CFD来完成，最后一个可以使用CFD或基于势流理论的螺旋桨模型来完成。螺旋桨数据有试验值的话，就来用螺旋桨的敞水性曲线。此外，数值计算可以基于缩比模型，全尺寸或通过缩比模型外推至全尺寸来实施。
- 自航计算
2.1螺旋桨的模拟方式
2.1.1螺旋桨的直接计算
自航计算需要使用螺旋桨来提供推力。螺旋桨的模拟方式提供了复杂性和计算成本不同的几种可能性。
螺旋桨采用直接计算，需要最高的分辨率和最高的计算成本，网格生成的编码方面的复杂性也最高。采用的CFD程序必须具有螺旋桨网格旋转功能，通常使用滑移网格方式和重叠网格，或采用精度较低的多参考系（MRF）方法来完成。电网重构也已经被尝试了。
采用直接计算法计算螺旋桨性能时，网格的设计必需要满足以正确计算摩擦力的要求。用于网格设计的雷诺数用桨叶70％半径上的弦长和该位置的局部速度来定义：
Re=rho;omega;0.7R/ mu; (0)
其中，rho;和mu;分别是流体的密度和粘度,omega;是螺旋桨转速，R是螺旋桨半径，C0.7是70％半径处的叶片弦长。注意，水的粘度随温度和盐度而变化，因此应使用适当的值。为了评估，计算壁面间距以满足壁面流动的直接计算或壁面函数的使用要求，桨叶半径70％处的叶片弦长也要用到。除非开始自航计算，螺旋桨转速是未知的，因此网格的设计需要采用迭代过程，以确定适当的壁面网格间距。在大多数情况下，可以估算自航推进时的螺旋桨转速来避免这种情况。
时间步长以螺旋桨在每时间旋转0.5到2度来选取，使隐式高阶数值积分算法具有更高的数值适用性，但对显式求解器的数值适用性更低。但是，时间步长可能会受到CFL条件或实施旋转螺旋桨/滑移网格算法的限制，需要比本文建议更短的时间步长。
2.1.2螺旋桨模型
直接计算的替代方法是一定程度上的耦合螺旋桨程序和CFD程序来对螺旋桨进行建模。螺旋桨程序从CFD程序中接收伴流速度，并将流体体积力和轴承力反馈给CFD程序，给流体加速并推动船舶。正如预期的那样，螺旋桨程序和耦合策略中复杂性的增加将导致更好的计算结果，但成本更高。
螺旋桨建模时，网格设计可能需要适应螺旋桨代码与CFD代码之间耦合的特定要求。这些要求与可实施性关联，最优方法取决于所使用的特定软件包。一般来说，一个足够精细的网格需要在螺旋桨叶半径方向至少用10个单元离散，圆周方向不小于35个单元，轴向至少用10个单元，覆盖螺旋桨厚度。
在这种情况下，时间步长的选择通常由船舶CFD计算来确定，因此可以使用船舶CFD指南。
2.2自航计算
船舶的网格设计与7.5-03-02-03（2011）遵循相同的准则，以及与船舶计算有关的所有其他方面。可以在模型尺度或全尺寸条件下进行计算，可以在船身保持平稳或者像试验那样保持沉深和纵摇自由的条件下计算，对于非对称船甚至可以计算横摇，艏摇和横荡条件下的性能，尽管在实验中几乎没有这样做。
如果计算是在模型比例下进行的，则结果需外推到实尺船舶。正如，船模自航试验数那样，要用摩擦阻力修正因子来修正推力，以考虑实船摩擦阻力系数比船模摩擦阻力系数要小的这一影响:
F0={（1 k）(CF,M-CF,S)- Delta;CF}rho;SUsup2; (0)
模型和全尺寸下的摩擦因子CF,M和CF,S, 来自ITTC 1957模型-船的相关线CF=0.075/(log10Re-2) sup2;, U是参考速度，S是静态润湿面积。k是形状因子，用于对平板摩擦系数修正。请注意，形状因子k与雷诺数高度相关，必须适当计算, 可参考有关船舶阻力CFD的实用指导 7.5–03–02–04。Delta;是粗糙度补贴，取决于雷诺数和船体粗糙度。这个可以根据第19届ITTC提出的相关性公式进行估算:
Delta;CF=0.044[ -] 1.25times; (0)
其中是由船体粗糙度分析仪得到表面粗糙度。也可以使用ITTC推荐的值=150*m. 一个很重要的特点是，并不是全尺寸船舶CFD计算时用到的粗糙度,CFD计算时大多数情况下用的是壁面函数。可参考Castro等人（2011）的讨论，以及7.5-03-02-03（2011）中有关表面粗糙度的评论。
自航计算需要找到船舶阻力和螺旋桨推力达到平衡的点。实现此目标方法常见的有两种。第一种是使用控制器更改螺旋桨转速以达到目标速度，或者在恒定的航速下达到推力和阻力的平衡。这需要用控制器，并且，如果使用螺旋桨的直接计算，则需要对网格位置进行动态更改，CFD实施时需要在螺旋桨不同位置处预先生成网格。第二种方法计算目标船速时不同螺旋桨转速下阻力和推力之间的不平衡，并使用迭代方法来找到自航点。第三种方法包含在不同的航速和不同的螺旋桨转速下得计算，以获得用于求取自航参数的负载曲线和阻力曲线。
2.2.1控制器的使用
控制器修改螺旋桨的转速，来实现转速偏差最小或阻力与推力之间的不平衡。为了上述的这一目的，典型的比例积分控制器（PI控制器）实现被使用：
n=Pe I (0)
其中n是螺旋桨转速，单位为转/秒（RPS）；e是误差，P和I分别是比例常数和积分常数。这些常量的选择取决于下述的误差定义。
如果代码具有六自由度（6DoF）功能，则误差为船舶速度?与目标航速之间的偏差，通过控制器改变螺旋桨转速以达到目标速度：
e=-? (0)
当达到规定的目标速度并保持稳定时，船舶处于该目标航速时的自航平衡模式。CFD计算结果可用于求取自航推进因子。
如果CFD程序不具有6DoF功能，仍可以使用控制器，用阻力与推力T的不平衡来定义误差：
e=-? (0)
最佳的P和I常数的评估需要一些计算。如果常数选择不当，则可能会导致超调或者收敛至自航点非常缓慢。P和I可在动态系统仿真后来选取，该仿真用基于螺旋桨推力曲线、船舶阻力和质量特性的简单模型来开展，采用了控制器控制的螺旋桨转速。
以6DoF方法为例，阻力可以用下式来求取：
=rho;CtSU sup2; (0)
其中Ct是估计的阻力系数。推力和扭矩从下式来求取：
T=rho;Ktn sup2; (0)
其中D为螺旋桨直径，Kt为螺旋桨在自航点附近的推力系数估算值。然后动量方程：
m= - T (0)
结合控制器方程来求解，通过评估不同的P和I常数来实现自航的最快收敛时间。
2.2.2插值方法
在这种情况下，自航点使用多次迭代通过反复试验来获得。典型的方法是以目标航速下固定螺旋桨转速RPS来开始计算。合成的阻力和推力（从模型下外推计算至实尺时，还包含摩擦阻力修正F0）通常处于不平衡状态。然后，适当调整RPS以达到更好的平衡，并运行新的运算。这一新的计算将导致新的受力不平衡。使用这两个不平衡和两个螺旋桨转速，可以采用内插（或外推）来预测不平衡归零时的转速。在此新的螺旋桨转速下执行第三次计算。如果需要，进行新的插值和计算，直到力的不平衡处于可以接受范围。可接受的力不平衡度小于阻力的1％，可达到的最佳自航实验精度相一致。
- 拖曳计算
需要进行拖曳计算以获得拖曳阻力。拖曳计算需要在与自航计算在相同的条件下开展，但没有螺旋桨。计算得到的沉深与纵倾可能与自航计算时不匹配。参见ITTC指南7.5-03-02-04，“船舶阻力CFD指南”（2014）。
- 敞水曲线
如前所述，如果有螺旋桨的敞水曲线，用来确定自航因子的一整套CAD计算才可实现。如果自航测试中螺旋桨是直接仿真的，那么，自航特性CFD计算较容易做到。另一方面，如果自航计算中螺旋桨采用外界程序模型代替的话，螺旋桨敞水性能计算因没有网格可用而变得更加困难，如果有试验数据的最好用实验曲线数据。由于螺旋桨敞水曲线和CFD的结果不匹配，这可能会引入计算误差。另外也可以使用螺旋桨势流程序计算的敞水曲线来进行自航CFD计算。
敞水性能曲线的直接计算包括螺旋桨在均匀进流时不同进速系数J下，和的系列计算。类似于船模水池中的敞水性能测试，螺旋桨处于拉动状态来布置。注意，必须定义一个新的计算域并生成一个新的网格以进行敞水性能计算。由于进流的均匀性，敞水计算通常采用稳态计算，螺旋桨所在区域的旋转圆柱坐标系与螺旋桨的相同的速度旋转。此外，在圆周方向上叶片到叶片之间存在的周期性，该周期性可用于定义计算域。即，采用在圆周方向的周期性边界条件来定义仅包含整个螺旋桨区域1 / Z扇区的域就足够了（其中Z是叶片的数量）。域边界必须设置在距离叶片足够远的地方，以避免边界干扰。通常，进口边界位于螺旋桨上游至少2D（D为螺旋桨直径），
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