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        軸支架雙槳船附體阻力尺度效應(yīng)數(shù)值分析

        2021-07-05 02:06:16韋紅剛詹明珠
        船舶 2021年3期
        關(guān)鍵詞:支架效應(yīng)

        韋紅剛 詹明珠 馮 毅 孟 陽(yáng) 于 海

        (1.上海市船舶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海200011;2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海2000113.上海船舶研究設(shè)計(jì)院 上海201203)

        引 言

        安裝于水線(xiàn)以下船體表面的附屬體(如側(cè)推孔、舵、減搖鰭、軸包套、軸及軸支架等)統(tǒng)稱(chēng)為船的附體,由于附體的存在而產(chǎn)生的阻力稱(chēng)為附體阻力[1]。目前比較常見(jiàn)的計(jì)算方法是通過(guò)全附體與裸船體船模試驗(yàn)所得到的總阻力的差值來(lái)確定附體阻力。但由于船模速度低、附體尺度小,故存在較嚴(yán)重的尺度效應(yīng)[2]。水下附體阻力主要為黏壓阻力和摩擦阻力,雷諾數(shù)是其尺度效應(yīng)的重要影響因素。此外,考慮船尾伴流場(chǎng)的尺度效應(yīng)是非常必要的,歷屆ITTC會(huì)議均十分關(guān)注這個(gè)問(wèn)題。第26屆ITTC 伴流場(chǎng)尺度效應(yīng)專(zhuān)門(mén)委員會(huì)[3]還系統(tǒng)地總結(jié)了目前存在的幾種換算法。

        CFD就是針對(duì)目標(biāo)船型利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,從而得到船舶阻力等的計(jì)算方法。CFD是船舶計(jì)算流體力學(xué)的一個(gè)分支,也是船舶流體力學(xué)最基本的應(yīng)用[4]。目前理論上進(jìn)行實(shí)尺度船舶附體數(shù)值計(jì)算已經(jīng)成為可能,只是缺乏實(shí)船驗(yàn)證數(shù)據(jù)[5]。

        目前國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者對(duì)船舶尺度效應(yīng)開(kāi)展了相關(guān)研究。張恒和詹成勝[6]計(jì)算了KCS(KRISO Coutainer Ship;其中: Korea Research Institute for Ships and Ocean Enginearing,KRISO)在不同雷諾數(shù)下的阻力值,證明通過(guò)改變介質(zhì)的黏性系數(shù)使得不同尺度船舶滿(mǎn)足全相似是可行的。陳騫等[7]計(jì)算了靜水下實(shí)尺度船舶不同航速的總阻力,并通過(guò)水池試驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)尺度模擬、優(yōu)化的可行性。王展智和熊鷹[8]計(jì)算了DTMB5415多種尺度的船舶黏性流場(chǎng),詳細(xì)分析了該船軸向伴流場(chǎng)的尺度效應(yīng)。Bart Schuiling[9]采用數(shù)值方法研究了伴流場(chǎng)的尺度效應(yīng)。李亮和王超[10]開(kāi)展了KCS考慮自由液面的實(shí)船自航試驗(yàn)數(shù)值模擬。

        本文采用CFD商用軟件NUMECAFineMarine數(shù)值模擬,基于RANS(Reynolds Average Navier-Stockes)方法,采用 VOF(Volume of Fluid)方法捕捉自由液面,通過(guò)采用動(dòng)網(wǎng)格剛性變形結(jié)合加權(quán)變形來(lái)處理船舶直航引起的升沉和縱傾浮態(tài)變化[11];開(kāi)展了軸支架雙槳船附體尺度效應(yīng)數(shù)值模擬并與模型試驗(yàn)及其實(shí)船換算結(jié)果對(duì)比,分別分析了側(cè)推孔、軸包套、軸支架阻力性能及附體壓力分布的尺度效應(yīng);同時(shí)簡(jiǎn)要分析了軸支架雙槳船的自由液面波形和軸向伴流尺度效應(yīng)。

        1 數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法

        取尾垂線(xiàn)和基平面交點(diǎn)為原點(diǎn),從船尾指向船首為x方向,船寬左舷方向?yàn)閥方向,z方向垂直向上,形成右手坐標(biāo)系,見(jiàn)圖1。

        圖1 坐標(biāo)系和計(jì)算模型

        對(duì)于非定常、不可壓的黏性流體,采用流動(dòng)的控制方程為RANS方程:

        式中:U和Ug分別為流場(chǎng)速度和網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度,m/s;Pd為流場(chǎng)動(dòng)壓力,Pa;μeff為動(dòng)力黏性系數(shù);fδ為表面張力,N/m3。

        2 模型尺度數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

        本文以某型軸支架雙槳船為研究對(duì)象,采用計(jì)及姿態(tài)的阻力和伴流數(shù)值模擬方式,數(shù)值模擬并分析了軸支架雙槳船型阻力與伴流尺度效應(yīng)分析。表1為某型軸支架雙槳船部分船模主尺度。

        表1 船模A主尺度

        針對(duì)阻力數(shù)值模擬,在HEXPRESS軟件中生成高質(zhì)量六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,整個(gè)計(jì)算域與船體表面網(wǎng)格如圖2所示。

        圖2 計(jì)算域及船體表面網(wǎng)格

        計(jì)算設(shè)置船體縱傾和沉降為自由變化,輸入船體浮心坐標(biāo)(以浮心替代重心作為轉(zhuǎn)動(dòng)中心)、重力、繞y軸的慣性矩[12]。

        該計(jì)算域的長(zhǎng)度為5倍船長(zhǎng),寬度為1.5倍船長(zhǎng),高度為1.5倍船長(zhǎng)。

        在側(cè)推孔、支架、舵等附體采用逐層細(xì)化的全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成技術(shù),并在側(cè)推孔、支架、舵等附體表面采用拆分緊鄰物面一層網(wǎng)格單元的方法生成適當(dāng)層數(shù)的邊界層網(wǎng)格[11]。

        首先對(duì)該軸支架雙槳船進(jìn)行靜水中的裸船體和全附體(包括側(cè)推孔、軸包套、支架、舵等附體)阻力數(shù)值模型模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證,模型試驗(yàn)照片見(jiàn)圖3。

        圖3 模型試驗(yàn)照片

        模型尺度(雷諾數(shù)Re=1.1×107)阻力計(jì)算和模型試驗(yàn)換算成實(shí)船的有效功率Pe對(duì)比結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)圖4。

        圖4 船模計(jì)算與試驗(yàn)Pe對(duì)比

        可見(jiàn),無(wú)論是裸船體還是全附體計(jì)算,均與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,故可以此計(jì)算方法為基礎(chǔ),考慮尺度效應(yīng)的數(shù)值模擬與分析。由于該軸支架雙槳船附體種類(lèi)和數(shù)量多,因此其全附體阻力的增量偏大。本文中的阻力增量百分比均為與CFD計(jì)算中雷諾數(shù)為1.1×107時(shí)裸船體有效功率之比的增量。

        在模型尺度裸船體和全附體數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,通過(guò)改變船模長(zhǎng)度的方法,本文分別對(duì)“裸船體”、“裸船體+側(cè)推孔”、“裸船體+側(cè)推孔+軸包套”、“裸船體+側(cè)推孔+軸包套+支架”進(jìn)行了不同雷諾數(shù)下的模型數(shù)值模擬,并進(jìn)行附體阻力增量尺度效應(yīng)分析。

        3 阻力、附體壓力分布尺度效應(yīng)分析

        本文對(duì)不同尺度的阻力、伴流數(shù)值模擬生成不同厚度的邊界層。表2為不同雷諾數(shù)(Re)時(shí)的Y+,圖5為船體模型尺度流線(xiàn)圖。從圖5可見(jiàn),船體表面流動(dòng)順暢,無(wú)明顯的流動(dòng)分離和匯聚現(xiàn)象,從而為不同附體阻力增量的尺度效應(yīng)分析提供良好的基礎(chǔ)。

        圖5 船體流線(xiàn)圖

        表2 不同Re下的網(wǎng)格Y +

        圖6為不同Re阻力數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比;下頁(yè)圖7為不同Re下各附體Pe增量對(duì)比。不同尺度的數(shù)值模擬都采用淡水的密度和黏度,同時(shí)并沒(méi)有在數(shù)值模擬中考慮表面粗糙度的差異,而是在換算過(guò)程中統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償此差異。

        圖6 不同Re阻力數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

        從圖6和圖7中可見(jiàn),無(wú)論是裸船體還是裸船體+附體阻力計(jì)算,Pe結(jié)果均隨Re的增加而增大。這一增量在Re為107量級(jí)上最快,隨后趨于平緩。3種附體的阻力增量均不隨Re的增加而單調(diào)變化,但在Re>108以后基本趨于穩(wěn)定。側(cè)推孔和軸包套隨Re增加,但阻力增量變化很小,均在1%以?xún)?nèi);軸支架的阻力增量在Re為107~108時(shí),與裸船體相同,增加均很快。

        圖7 不同Re的附體Pe增量對(duì)比

        續(xù)圖8 不同附體壓力分布數(shù)值模擬結(jié)果

        下頁(yè)圖8為軸包套和支架不同Re下的無(wú)量綱壓力分布。從圖中可見(jiàn),軸包套折角處收縮較為劇烈,此處存在一個(gè)負(fù)壓較大的區(qū)域;且這一區(qū)域的面積和絕對(duì)數(shù)值均隨Re增加而明顯增大。雙臂外支架的外側(cè)處大片的負(fù)壓區(qū)域是支架阻力增量很大的原因,當(dāng)Re為107~ 108時(shí),負(fù)壓區(qū)域面積增加明顯。這與圖7中支架阻力增量隨Re變化關(guān)系相對(duì)應(yīng)。

        圖8 不同附體壓力分布數(shù)值模擬結(jié)果

        4 興波、伴流尺度效應(yīng)分析

        在阻力尺度效應(yīng)分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開(kāi)展軸支架雙槳船興波和伴流的尺度效應(yīng)分析。下頁(yè)圖9為“裸船體+側(cè)推孔+軸包套+支架”在不同雷諾數(shù)無(wú)量綱自由液面的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖9可見(jiàn):不同雷諾數(shù)船體中前部分的興波差異很小,這同興波阻力與Re無(wú)關(guān)的假設(shè)相符,但在船尾后方波形存在一定的差異,這與船體傅氏數(shù)及尾封板浸水深度相關(guān)。

        圖9 不同Re自由液面數(shù)值模擬結(jié)果

        下頁(yè)圖10為不同Re槳盤(pán)面(0.35R~1.2R)伴流數(shù)值模擬結(jié)果(左舷)。由圖10可見(jiàn),軸向伴流順時(shí)針30°區(qū)域存在一片伴流較高的區(qū)域,可能是后視圖中包套和內(nèi)支架聯(lián)合影響的結(jié)果。高雷諾數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果表明:高伴流區(qū)域的伴流峰值顯著降低,其他低伴流區(qū)域面積隨著Re的升高顯著增大。

        圖10 不同Re伴流數(shù)值模擬結(jié)果(左舷)

        5 結(jié) 論

        本文使用NUMECAFineMarine軟件研究軸支架雙槳船尺度效應(yīng),研究發(fā)現(xiàn):

        (1)由于附體區(qū)域的局部Re遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于船體Re,當(dāng)船體Re大于108之后,3個(gè)附體的阻力增量才基本穩(wěn)定。為了減小尺度效應(yīng)影響,軸支架雙槳船模型試驗(yàn)的Re應(yīng)盡可能大些。

        (2)不同Re船體中前部分的興波差異很小,但在船尾后方波形存在一定差異。這與船體傅氏數(shù)及尾封板浸水深度相關(guān)。對(duì)于軸支架雙槳船,槳盤(pán)面軸向伴流均值和伴流峰值都隨Re增加而降低。

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