基于SDM方法的船艉伴流場尺度效應(yīng)研究與修正

郭春雨，張琪，，陳鴿，王戀舟

1哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001 2中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，遼寧大連116600

基于SDM方法的船艉伴流場尺度效應(yīng)研究與修正

郭春雨1，張琪1，2，陳鴿2，王戀舟1

1哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001 2中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，遼寧大連116600

以KCS為研究對象，利用CFD計(jì)算軟件STAR-CCM+，計(jì)算不同尺度下KCS船伴流場的分布情況，分析尺度效應(yīng)對船舶伴流場的影響。為修正由尺度效應(yīng)引起的模型尺度與實(shí)尺度船模船艉標(biāo)稱伴流場的誤差，借鑒智能假體模型（SDM）的概念，并通過軟件Friendship中的Framework模塊對原模型的艉部進(jìn)行修改，討論不同收縮程度的艉部變形對修正伴流場尺度效應(yīng)的作用。結(jié)果表明：SDM方法對修正伴流場尺度效應(yīng)的作用效果明顯，且通過模型尺寸的收縮變形基本可以達(dá)到目標(biāo)伴流場的伴流分布形式。

伴流場；尺度效應(yīng)；船艉變形；智能假體模型

0 引 言

有關(guān)尺度效應(yīng)的研究，黃家彬等［1］對某集裝箱船3種不同尺度的模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對比分析了由尺度效應(yīng)引起的標(biāo)稱伴流場分布的不同。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于船艉伴流場的CFD計(jì)算越來越趨向于精細(xì)化，模型的尺度也趨向于大尺度乃至實(shí)尺度。有關(guān)實(shí)船伴流場的計(jì)算，早在1996年徐立等［2］就應(yīng)用RANS方程連同兩點(diǎn)壁面函數(shù)處理近壁面的方法較成功地對HSVA船模尾流場進(jìn)行了數(shù)值模擬；傅慧萍等［3］以改變雷諾數(shù)作為研究切入點(diǎn)，對雷諾數(shù)范圍在3.945×106～1.0×108之間的KVLCC2M超大油輪的船艉伴流場進(jìn)行了CFD計(jì)算，采用SSTk-ω湍流模型將計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，并討論了雷諾數(shù)對總阻力和船艉伴流場的影響。易文彬等［4］分別利用虛流體粘度方法和實(shí)尺度計(jì)算這2種方法求取了實(shí)尺度雷諾數(shù)下的阻力和流場，并對比了兩者的差別，發(fā)現(xiàn)采用虛流體粘度方法網(wǎng)格量少，計(jì)算時(shí)間短，具有較強(qiáng)的工程意義。Sánchez-Caja等［5］通過數(shù)值方法對實(shí)尺度船艉伴流場進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)，并與模型尺度進(jìn)行了對比。

“智能假體”（Smart Dummy）的概念是由Schuiling等［6］基于空泡試驗(yàn)?zāi)M伴流尺度效應(yīng)而提出。智能假體模型（Smart Dummy Model，SDM）是指與實(shí)尺度幾何不相似的船體模型，但其具有相似的伴流場。在空泡試驗(yàn)中，常規(guī)的假體模型需要滿足螺旋槳以上的船艉部分以及船體與槳軸之間的間隙都與實(shí)尺度具有相類似的特性。針對SDM的研究，Bosschers和Johannsen［7-8］也分別在空泡水筒中應(yīng)用智能假體對尺度效應(yīng)的影響進(jìn)行了修正，但都沒有給出SDM的具體變形方案。本文將在總結(jié)以往研究的基礎(chǔ)之上，借鑒“智能假體”的方法，對模型尺度下的KCS船艉部進(jìn)行收縮變形，并通過分析SDM的伴流場隨艉部收縮情況而產(chǎn)生的變化，來獲取與實(shí)尺度（以Lpp=50.95 m作為實(shí)尺度模型）伴流場相近似的變形方案，并嘗試總結(jié)適用于KCS船型以及與其相近船型的SDM變形規(guī)律。

1 船艉伴流場的數(shù)值模擬

1.1 模擬對象

KCS是由韓國KRISO（Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering）設(shè)計(jì)建造的3 600 TEU集裝箱船，將以標(biāo)準(zhǔn)模型1（Lpp=7.279 m）為參考，分別計(jì)算其船長為0.6Lpp（模型2）、3Lpp（模型3）、5Lpp（模型4）、7Lpp（模型5）和10Lpp（模型6）的模型，具體模型參數(shù)如表1所示。圖1所示為KCS船舶模型三維視圖。

表1 各計(jì)算模型的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters for calculation models

圖1 KCS船舶模型三維視圖Fig.1 The three-dimensional view of the KCS model

1.2 網(wǎng)格劃分

在STAR-CCM+軟件中對KCS標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行劃分，由于各個(gè)船模的尺度不同，所以在網(wǎng)格數(shù)量與邊界層厚度以及層數(shù)上存在著一定的差異。在具體計(jì)算過程中，采用的第1層邊界層厚度、Y+和網(wǎng)格總數(shù)如表2所示。以船體中線面上艉柱與基線的交點(diǎn)為原點(diǎn)，計(jì)算域的范圍取為-2.0Lpp≤x≤2.5Lpp，0≤y≤1.5Lpp和-2.0Lpp≤z≤1.0Lpp（其中x為沿船長方向，y為沿船寬方向，z為沿高度方向），邊界條件設(shè)置如表3所示。

表2 各計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)與邊界層設(shè)置Tab.2 Y+and number of grids used in calculation models

表3 邊界條件Tab.3 boundary conditions

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)值的比較如圖2所示。從中可以看出，預(yù)報(bào)的結(jié)果與實(shí)際測量值［9］吻合較好，說明數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果可信。

圖2 船艉標(biāo)稱伴流分布（1-w）結(jié)果對比圖（左邊為計(jì)算值，右邊為試驗(yàn)值）Fig.2 Isolines of dimensionless axial velocity components for propeller disk：calculated value（left）and test value（right）

為了驗(yàn)證阻力的計(jì)算結(jié)果，將各模型的總阻力系數(shù)Ct通過二因次換算方法換算至實(shí)船的總阻力系數(shù)Ct′并進(jìn)行了比較，結(jié)果如表4所示。

表4 各計(jì)算收斂情況與阻力值比較Tab.4 Comparison of convergence time and resistance values

其中，粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)ΔCf按照式（1）進(jìn)行計(jì)算，實(shí)船（Lpp=230 m）總阻力系數(shù)的準(zhǔn)確值參考文獻(xiàn)［10］的CFD計(jì)算結(jié)果。

式中：AHR為粗糙度表觀高度，這里取AHR= 150×10-6m；Res為實(shí)船的雷諾數(shù)。

圖3直接反映了各模型盤面處的軸向速度分布情況。通過觀察比較6幅圖形的等值線分布情況可以發(fā)現(xiàn)，存在的相同點(diǎn)表示等值線的分布形狀大體相同，盤面上方為高伴流區(qū)，存在一個(gè)扇形的伴流峰值區(qū)，而且等值線的間距在船舭部周圍最大也說明此處流速變化緩慢，邊界層最厚；存在的不同點(diǎn)表示隨著模型尺度的變大，伴流分?jǐn)?shù)等值線向尾流中心位置收縮并緩慢靠近，其中以0.5等值線的變化最為明顯，變化的趨勢是等值線向中心靠近，然后發(fā)生斷裂并最終消失，例如，0.6等值線從開始的斷裂狀態(tài)最終在尺度最大的模型中消失，印證了隨著模型尺度變大，雷諾數(shù)增加，邊界層厚度減小，流速的變化梯度下降的規(guī)律。由圖3中還可以看出，在Lpp=4.367～72.786 m的尺度跨越間，伴流分布的尺度效應(yīng)體現(xiàn)得比較明顯，隨著模型尺度的增大，等值線不斷地向中心收縮。此外，伴流分布尺度效應(yīng)的作用效果并不均勻，隨著模型尺度的增加，從盤面中心開始向上的扇形伴流峰值區(qū)變化最為明顯，相反，盤面下方區(qū)域的伴流分?jǐn)?shù)本身較小且變化相對緩和。為了更為直觀地表達(dá)伴流場的分布，現(xiàn)將各模型的軸向伴流場沿周向的分布情況（表5，其中θ表示以盤面中心為圓點(diǎn)，正下方為起點(diǎn)，自下而上的旋轉(zhuǎn)角度，共旋轉(zhuǎn)180°）繪制成如圖4所示的形式。

圖3 不同尺度模型的軸向標(biāo)稱伴流場分布Fig.3 Comparison of wake fields with different model scales

表5 各模型的槳盤面0.7R處軸向標(biāo)稱伴流Tab.5 Comparison of wake fraction with different model scales（at 0.7R）

2 艉部變形方法

采用Friendship軟件對Lpp=4.367 m時(shí)KCS模型的艉部進(jìn)行修改。基本的變形方法是通過局部化的參數(shù)變形方法，在艉部中縱剖面內(nèi)建立一個(gè)B樣條曲面，并設(shè)置若干控制點(diǎn)來控制曲面的變化，通過移動一處或多處控制點(diǎn)，改變B樣條曲面的形狀，進(jìn)而改變船艉的形狀。

2.1 不同收縮程度的變形方案

在高度方向以槳盤面中心為基準(zhǔn)，向上23%T，向下9.5%T（T為吃水高度）各設(shè)置2排控制點(diǎn)。其中，SDM01控制點(diǎn)的最大變形位移ΔS=2.32%Bwl（Bwl為水線面寬，取Bwl=0.601 m），變形放大因子η=1.0。通過修改變形放大因子至η=1.3，1.6，1.9，放大變形效果，獲得SDM02，SDM03和SDM04變形方案，型線變化如圖5所示。圖中，實(shí)線為原模型，虛線為SDM。

圖5 SDM與原模型的型線對比Fig.5 Comparison of cross-sectional views of the KCS and SDM models

2.2 不同收縮程度變形的計(jì)算結(jié)果分析

圖6中給出的4種變形方案是通過大量的數(shù)值計(jì)算后給出的4種典型變形情況。由圖可見：SDM01的伴流場的收縮情況（特別是盤面上方）比較明顯，但相對于實(shí)尺度伴流場仍有一定的差距；而SDM02和SDM03的變形控制因子在1.3～1.6區(qū)間內(nèi)則表現(xiàn)出了較為理想的收縮效果，特別是盤面中心以上的部分；SDM04繼續(xù)收縮，當(dāng)變形控制因子達(dá)到1.9時(shí)（圖6（d）），0.5等值線也已發(fā)生斷裂，收縮程度超出了目標(biāo)伴流場的要求，不可取。因此，從這4種典型的變形方案可以看出，SDM02和SDM03的變形方案與目標(biāo)伴流場的吻合較好，其中SDM02的變形效果最接近于實(shí)尺度模型伴流場。

圖6 SDM與實(shí)尺度模型伴流分布對比Fig.6 Comparison of wake fields between SDM and the full-scale model

為了比較軸向速度以外的另外2個(gè)方向的速度分布情況，現(xiàn)沿槳盤面水平方向的半徑由0.2R～1.0R每隔0.1R取一點(diǎn)，分別作SDM02和SDM03這2個(gè)模型經(jīng)過這9個(gè)點(diǎn)的流線，并與實(shí)尺度模型進(jìn)行比較，如圖7所示。觀察發(fā)現(xiàn)，SDM02和SDM03的流線與原模型及實(shí)尺度之間均存在著較大的差別，但相比之下更接近原模型一些，這也說明了智能假體模型SDM02和SDM03在滿足軸向速度分布相似的同時(shí)，徑向和周向的合速度并不能保證與實(shí)尺度相似。

2.3 變形規(guī)律小結(jié)

通過前面對KCS模型一系列變形效果所做的探究，可以得出以下結(jié)論：對于KCS船以及其他與之相近的船型（單槳集裝箱船，且艉部形狀區(qū)別不大），可以采用沿船長方向0.5～2.5肋位，高度方向在盤面中心向上23%T、向下9.5%T布置2排控制點(diǎn)，最大變形位移ΔS=3.13%Bwl～3.83%Bwl，變形控制因子η=1.3～1.6范圍內(nèi)沿船寬方向向內(nèi)收縮變形，并可由大縮尺比船模（縮尺比λ=11.7）獲得與實(shí)尺度模型分布近似的艉部標(biāo)稱伴流場。

3 結(jié) 論

本文嘗試采用船舶模型艉部收縮變形的方法來修正尺度效應(yīng)的影響，通過對一系列艉部變形方案的討論，最終找到了一類比較理想的變形方法，得出以下結(jié)論：

1）在湍流模型的選擇上，SSTk-ω湍流模型在流場計(jì)算上有一定的優(yōu)越性，通過計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的比較可以看出，伴流分布計(jì)算的準(zhǔn)確度很高。

2）本文選擇在2.5肋位至艉軸孔區(qū)間段內(nèi)的變形是合理的，這一方面為艉部的收縮變形提供了足夠的收縮空間，另一方面使伴流場的收縮具備更大的收縮潛能，增強(qiáng)了變形方法的適用性。此外從研究價(jià)值的角度，通過探討船艉的變形規(guī)律，為今后研究利用SDM方法提高螺旋槳空泡和激振力試驗(yàn)預(yù)測的準(zhǔn)確性做了重要鋪墊。

3）通過比較數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)伴流場的收縮效果在盤面上方與實(shí)尺度模型的相似度很高，中心正下方1/4圓弧區(qū)域的收縮效果不夠明顯；而從螺旋槳的設(shè)計(jì)角度來看，盤面上方的軸向高伴流區(qū)是研究的重點(diǎn)，因此，艉部伴流場的收縮效果整體來說是令人滿意的。對于智能假體的研究，目前仍處于初步探索階段，更理想的變形效果以及普適性的變形規(guī)律還有待進(jìn)一步的研究。

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［責(zé)任編輯：盧圣芳］

Research and revision on the scale effect of the wake field based on the method of SDM

GUO Chunyu1，ZHANG Qi1，2，CHEN Ge2，WANG Lianzhou1
1 School of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China 2 Technical Center，COSCO Shipyard Group Co.Ltd.，Dalian 116600，China

In this article，different scales of KCS ships are studied with the CFD software STAR-CCM+in order to analyze the influence of the scale effect of the ship wake field.To correct the error caused by the scale effect,the concept of Smart Dummy Model(SDM)is taken as reference.Based on the module of Framework imbedded in the CFD code Friendship,various degree of contraction deformation on after-bod?ies is created for better analysis results.It is seen that the method of SDM is applicable in solving the prob?lem of scale effect of the wake field,and the model-scale wake field successfully meets the target wake field distribution of the full-scale one through the deformation of stern.

wake field；scale effect；deformation of the stern；Smart Dummy Model（SDM）

U661.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.001

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1025.002.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

郭春雨，張琪，陳鴿，等.基于SDM方法的船艉伴流場尺度效應(yīng)研究與修正［J］.中國艦船研究，2015，10（6）：1-7. GUO Chunyu，ZHANG Qi，CHEN Ge，et al.Research and revision on the scale effect of the wake field based on the method of SDM［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：1-7.

2015-05-15 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2015-11-10 10:25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51379043）

郭春雨（通信作者），男，1981年生，博士，教授。研究方向：船舶阻力推進(jìn)與節(jié)能，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。E-mail：guochunyu@hrbeu.edu.cn張琪，男，1990年生，碩士。研究方向：船舶推進(jìn)與節(jié)能。E-mail：zhangqi_8090@126.com