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        海面梯度風(fēng)下一種翼型風(fēng)帆的數(shù)值計(jì)算

        2011-06-07 01:30:16楊亦霖胡以懷
        船舶 2011年6期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)帆海面定值

        楊亦霖 陳 威 胡以懷

        (上海海事大學(xué) 商船學(xué)院 上海 200135)

        0 引 言

        風(fēng)能的利用對(duì)于船舶節(jié)能減排有著重要的意義。近年來(lái),隨著能源消耗的日益加劇,使用風(fēng)帆作為船舶輔助動(dòng)力的研究得到廣泛關(guān)注。應(yīng)用風(fēng)帆助航的船舶,節(jié)能效果一般可以達(dá)到 5~15%之間[1],而風(fēng)帆氣動(dòng)性能的表現(xiàn)直接影響實(shí)際應(yīng)用效果。國(guó)內(nèi)外的一些研究者對(duì)風(fēng)帆氣動(dòng)特性的研究均表明,翼型風(fēng)帆具有更好的升阻比,因而在實(shí)際應(yīng)用中具有更佳的推動(dòng)效果。

        由于受到海面的粘滯阻力,近海面風(fēng)的分布特性是隨高度變化的梯度分布,通常所述的海面風(fēng)速是某一參考高度的平均測(cè)量風(fēng)速,所以對(duì)實(shí)際海面風(fēng)場(chǎng)的模擬可以更準(zhǔn)確的分析輔助風(fēng)帆在應(yīng)用中的實(shí)際效果。

        本文根據(jù)海面實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的分布特性,采用CFD方法對(duì)一種翼型風(fēng)帆的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果對(duì)比分析表明,風(fēng)帆在接近真實(shí)海面風(fēng)的梯度風(fēng)場(chǎng)下與定值海面測(cè)量風(fēng)速時(shí)的風(fēng)載荷數(shù)值結(jié)果有一定的差別。

        1 物理模型及研究方法

        1.1 風(fēng)帆的物理模型

        風(fēng)帆的實(shí)體模型為左右對(duì)稱(chēng)翼型硬質(zhì)風(fēng)帆,風(fēng)帆截面上下均為圓弧形,上下拱度比分別為0.16和0.1,弦長(zhǎng)10.8 m,展弦比是1.45,帆面下緣距離海平面高度為15 m。模型如圖1所示。

        按照空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法,翼型風(fēng)帆受到的氣動(dòng)力可以分解成與來(lái)風(fēng)垂直的方向,即升力方向L軸和與來(lái)風(fēng)平行的方向,即阻力方向D軸。風(fēng)帆前緣與后緣的連線與來(lái)風(fēng)角度α為幾何攻角。風(fēng)帆的氣動(dòng)特性可以用升力系數(shù)和阻力系數(shù)描述,見(jiàn)圖2。

        1.2 湍流數(shù)學(xué)模型

        描述流場(chǎng)使用三維不可壓縮流體的N-S控制方程,求解使用Spalart-Allmaras湍流模型,在近壁區(qū)域外的流場(chǎng)引入流體粘性系數(shù)v^作為變量求解。完整的模型方程由輸運(yùn)方程和湍流渦粘度計(jì)算方程組成[2]:

        1.3 計(jì)算區(qū)域及邊界條件的設(shè)置

        設(shè)置尺寸為100 m×60 m×135 m的計(jì)算區(qū)域作為流場(chǎng)區(qū)域。帆面下邊緣距離底邊為15 m,四壁邊界類(lèi)型均為光滑壁面,帆面表面為無(wú)滑移壁面。

        式中:Ω是渦量,d表示離散單元到壁面的距離,k為常量。

        模型邊界條件:v壁面=0。

        在數(shù)值計(jì)算中,各常量參數(shù)設(shè)置如下[3]:

        式中:u(z)是以高度為變量的速度分布;k為卡曼常數(shù),一般取k=0.4;z0為粗糙長(zhǎng)度,其數(shù)值為海上風(fēng)速等于0的高度,其值大小受到海浪變化的影響;u*為摩擦速度,其值由海面10 m處的風(fēng)速確定。關(guān)系式如下:

        式中:CD是10 m處風(fēng)速的風(fēng)應(yīng)力系數(shù),u10為10 m處平均風(fēng)速。

        海面梯度風(fēng)由計(jì)算域速度入口的邊界條件控制,速度分布函數(shù)如下[4]:

        2 結(jié)果分析與比較

        分析風(fēng)帆的氣動(dòng)性能時(shí),海面風(fēng)速一般選取參考高度距離海平面10 m處的平均風(fēng)速。海面5級(jí)風(fēng)時(shí),10 m處實(shí)測(cè)平均風(fēng)速為8~10 m/s。選取海面風(fēng)速為8 m/s,風(fēng)帆攻角為90°時(shí),以翼型風(fēng)帆垂直中心為截面數(shù)值模擬梯度風(fēng)速度分布如圖4所示。

        海面風(fēng)速為8 m/s,選取風(fēng)帆幾何攻角分別為0°、5°、10°、15°、20°的風(fēng)帆迎風(fēng)姿態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。由圖5可以看出,翼型風(fēng)帆無(wú)論在梯度風(fēng)還是定值風(fēng)速下,風(fēng)帆的升阻比都保持很高的穩(wěn)定性。而由于風(fēng)速的梯度性分布,安裝高度大于參考風(fēng)速高度,風(fēng)帆表面實(shí)際風(fēng)載荷將大于以定值風(fēng)速計(jì)算的壓力載荷。圖6給出了風(fēng)帆氣動(dòng)特性與梯度風(fēng)下的表觀氣動(dòng)特性的對(duì)比。

        結(jié)果表明,以定值海面風(fēng)速流速計(jì)算的風(fēng)帆氣動(dòng)特性分析海面梯度風(fēng)的風(fēng)帆表現(xiàn),其結(jié)果有一定的誤差。

        表1 用定值風(fēng)速氣動(dòng)系數(shù)代替表觀氣動(dòng)系數(shù)引起的誤差

        3 結(jié) 語(yǔ)

        (1)通過(guò)對(duì)比海面參考高度為8 m/s風(fēng)速的定值風(fēng)速與梯度風(fēng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,證實(shí)了無(wú)論定值風(fēng)速或海面梯度風(fēng),升阻比均表現(xiàn)出良好吻合度。因此可知,梯度風(fēng)并不改變航向時(shí)獲得最大推動(dòng)力的風(fēng)帆最佳帆角[5]。

        (2)由相關(guān)研究可知,定值低風(fēng)速下,風(fēng)帆的氣動(dòng)性能與風(fēng)速無(wú)關(guān);而梯度風(fēng)場(chǎng)引起的垂直方向的作用力變化,使描述風(fēng)帆實(shí)際推動(dòng)效果的表觀氣動(dòng)系數(shù)與風(fēng)帆氣動(dòng)系數(shù)有較為明顯的差別。其風(fēng)帆的安裝高度與風(fēng)速參考高度的關(guān)系決定了差別的大小。數(shù)值計(jì)算為實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的模擬提供了可行且有效的方法。

        (3)風(fēng)帆取不同攻角時(shí),由定值風(fēng)速氣動(dòng)系數(shù)代替梯度風(fēng)下表觀氣動(dòng)系數(shù)所引起的誤差值保持相對(duì)穩(wěn)定。

        [1]王友聰.船舶風(fēng)帆風(fēng)洞特性實(shí)驗(yàn)研究[D].上海海事大學(xué),2009.

        [2]Spalart,P.R.and Rumsey,C.L..Effective Inflow Conditions for Turbulence Models in Aerodynamic Calculations [J].AIAA Journal,2007,45(10):2544-2553.

        [3]王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2004.

        [4]徐天真等.海面風(fēng)垂直分布的計(jì)算方法[J].海洋湖沼通報(bào),1988(4):1-3.

        [5]Pravesh Chandra Shukla,Kunal Ghosh.Revival of the Modern Wing Sails for the Propulsion of Commercial Ships [Z].International Journal of Civil and Environmental Engineering.2009.

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