超大型油轮在深水和浅水中的粘性流计算外文翻译资料

 2022-07-25 14:36:44

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超大型油轮在深水和浅水中的粘性流计算

Serge L. Toxopeus

摘要

在2008年SIMMAN会议上，对CFD工具预测操纵船舶周围流场的能力进行了研究。会议决定继续这方面的努力，但这项工作扩大到浅水船舶周围的流动。这篇论文提出了应用CFD计算KVLCC2，这项研究的目的是验证预测水深对流量的影响以及在整个船体形式上的力和力矩。

目前已进行了广泛的数值研究，对于每一种水深，几个网格密度进行结果的离散化误差研究。一般情况下，增加流量的复杂性，被发现的不确定性会增加，也就是说，对于较大的漂移角或偏航率，不确定性在水面上的依赖深度并没有被发现，预测的阻力值被用来推导水深相关因素。与阻力测量和Millward经验公式比较，在深水和浅水处显示较好的一致性。CFD结果发现力和力矩在船舶上的作用，作为漂移角、偏航率和水深的函数。明确水深中的力和力矩的依赖关系，找到了稳定的漂移条件。对于纯粹的旋转，这种依赖性表现的更为复杂和只能充分发展较大的非维旋转速率。本文显示出在限制水深下CFD作为研究船舶绕流是一个非常有用的工具。

关键词 KVLCC2 操纵 浅水 CFD RANS

1 引言

在2008年SIMMAN会议，对CFD工具预测机动船舶周围流场的能力进行了研究。在对北约的空中和海上交通工具（AVT-161）稳定和控制预测方法的评估，北约RTO应用汽车技术组决定继续这一努力，但扩展到在浅水中船舶周围的流动，例如见Toxopeus[2]。因此，选择了KVLCC2船型，因为在不同水深这艘约束模型试验可用。在本文中，通过MARIN为KLVCC2进行CFD计算介绍。这项研究的目的是调查在预测不同水深整个船体的力和力矩的不确定性; 验证使用模型试验预测的结果;以及获得水深对船舶周围流动的影响，船体上的力和力矩的信息。

2 坐标系

该右手坐标系统的原点是水线面、中横剖面和中纵剖面的交点，X轴方向朝向船首，Y轴方向朝向右舷，Z轴方向竖直向下。本文中力和力矩是根据此坐标系统表达的。

在目前的计算中，正漂移角beta;对应于左舷的来流（即beta;= arctanminus;V / U）。无量纲偏航率gamma;根据公式gamma; = r · Lpp/V计算，并且当正向前进速度时，以转向右舷为正。

3 KVLCC2

该KVLCC2（KRISO超大型油轮）船型是哥德堡CFD 2000 [3] 和 2010 [4]会议和SIMMAN 2008[1]会议的研究主题之一。在直航条件下，对流动特性和阻力值进行测量，见Lee等人[5]和Kim等人[6]。对于裸船体KVLCC2约束模型实验在意大利罗马水池（INSEAN）进行，作为SIMMAN 2008会议的准备。同样见Fabbri等人[ 7，8 ]和Campana 和Fabbri [ 9 ]。对包括除其他测量的力和力矩的稳定漂移运动和振动偏航运动进行了一组PMM测试。在测试过程中，该模型可以自由升沉和纵摇。对于目前的工作，只有裸船体的测试被考虑。

4 粘性流体求解器与计算设置

4.1 ReFRESCO

ReFRESCO是FRESCO的MARIN分支[10]，由欧盟项目与汉堡 - 哈尔堡科技大学（TUHH）和Hamburgische Schiffbau-Versuchanstalt（HSVA）一起制定。ReFRESCO是ReReliable and Fast Rans Equations solver for Ships, Cavitation and Offshore的首字母缩写。它可以解决多个阶段非定常不可压缩RANS方程，并补充每个阶段的湍流模型和体积分数运输方程。该方程离散化，利用cellcentred配置变量的有限体积法。这个实现是基于面的，其允许任意数量面的网格（六面体、四面体、棱柱体、棱椎体等）。该代码是有针对性的，优化的，高度有效的用于流体动力应用，特别是用于获得船只、潜水器和半潜式[11-14]水流，风流和操纵的系数。在该研究提出的所有情况下，从壁面开始的第一个网格Y 值均小于1，使得方程综合到壁面上。

4.2 湍流闭合模型

几种不同的湍流闭合模型在Refresco可用。在本研究中，应用的是双方程k – omega;湍流模型的SST版本。在这个湍流模型中，水流中涡的Spalart校正（由Dacles-Mariani等人提出的[16]）可以被激活。

4.3 旋转运动的实现

对于船舶操纵，被关注的不仅有斜流，还有旋转（偏航）时船舶周围的流动。在RANS中，旋转运动可以用几种方式进行建模，例如在旋转运动中通过一个固定的流动移动网格（惯性参考系统），或者固定船舶让流动旋转（非惯性参考系统）。本项工作选用非惯性参考系。离心力和科里奥利力来解释对于坐标系的旋转，加入动量方程为源项。有关实现的更多信息可在Toxopeus找到[14]。

4.4 网格生成

对于ReFRESCO的最佳性能，本项研究使用多块结构O-O网格。网格点已聚集在船体表面和底部，确保边界层的正确捕获。远场边界生成一个圆柱面，以方便所有计算使用一个单一的网格。例如图1所示网格。

图1 网格的列子，KVLCC2，深水（加粗呈现）

图2 本研究考虑的水深吃水比

GridPro生成四种不同水深吃水比的网格。即h/T = 31.8代表深水，h/T=3.0代表中间水深， h/T=1.5代表浅水， h/T=1.2代表极浅水，见图2。基本上，四种水深中船体周围网格拓扑结构是一样的，唯一的区别是每种水深船底与海底间加的一些网格模块。

基于这些网格，GridPro生成的几何相似网格能够通过使用粗网格解决方案作为细网格估算的初始流场，评估离散化误差和加速迭代过程。这样粗化所有方向上最好的网格以获得额外的网格。图1给出了本研究使用的网格密度。

4.5 边界条件

这项研究中的计算均未结合自由表面变形，基于试验和漂移角度或转速范围的研究过程中使用的速度、弗汝德数和自由表面变形作用于船上的力的影响可能是相当小的，假定是小于由于离散误差或错误的实验结果导致的不确定性。为了简化

计算，因此对称面边界条件用于不受干扰的水面并且下沉和纵倾被忽略。在船体表面，采用无滑移和抗渗性边界条件。对于所有的计算，即便是深水，底部边界条件设为移动壁面/固定滑移（U =Vinfin;）。

表1 网格密度概述

船舶的漂移角或旋转速度计算是对外部边界条件设适当的流入速度。使用BCAutoDetect边界条件，能自动将流入条件或流出（诺伊曼）条件应用于网格表面上，这取决于边界上网格表面的正常速度。因此，计算域不需要为新的计算而改变，以及在不同的操作条件下单一的网格能被使用。关于BCAutoDetect详细内容见Toxopeus [ 14 ]。

4.6 加速计算

为了能有效地产生对许多漂移角的结果，将使用一个能在单个模拟期间自动递增漂移角的程序。模拟首先预设一个漂移角，直到达到指定的迭代次数，或当残差的最大变化小于指定的收敛标准。接着，通过改变流入条件增大漂移角beta;，并且该流体与之前漂移角时流体连续。与在不受干扰流动中每一次单独计算相比较，在一个稍微不同的漂移角，从一个收敛方案开始计算能够节省时间。重复这一过程，直到达到所需的最大流入角。在Toxopeus[14]，表明这种方法与多个单漂移角度计算所获得的结果相同。

这个过程被定名为漂移扫描并且其应用已在Toxopeus [14], Vaz等人[12] 和Bettle等人[17]有所介绍。

表2 计算概述

5 计算过程

大多数计算在雷诺数Re = 3.7times;10^6下进行，这与意大利罗马水池（INSEAN）模型试验所用雷诺数相同。条件在表2中指定，下沉、纵倾及自由表面变形不考虑。此外，假定水平方向上流域没有限制，即水池壁面被忽略。测量过程中，模型可以自由下沉和纵倾并且水池壁面存在。特别是对于浅水的条件，这可能会导致该模型试验结果和计算之间的差异。

在直航和雷诺数Re=4.6times;10^6条件下对深水状况进行了额外计算。选择这个条件是为了能够将ReFRESCO的结果与KVLCC2风洞测量下周围流场的结果作比较，见Lee等人[5]，并与Kim等人进行的拖曳水池实验比较[6]。计算包括雷诺数及湍流模型的变化。

6 结果的介绍和讨论

6.1 迭代误差

所有的计算进行至最大正常化的残差resmax（所谓的Linfin;准则）连续迭代已远远低于1times;10minus;5或不能得到进一步的迭代收敛性。无量纲积分量的变化（力和力矩）均低于1times;10minus;7。图3给出了一个代表性的残差收敛和最好网格上的计算力的变化。

图3 迭代收敛性，深水，beta;=

6.2 离散化误差

用Eca等人提出的方法[18],估计力和力矩的不确定性。根据结果对每个网格进行分析，决定使用最好的5个网格进行不确定性分析。网格数目ng取决于粗网格分散结果。有人发现相对步长hi在2或以上时，结果与更精细的网格不一致。这意味着，在目前的网格布局，超过1.6times;10^6个单元格时，需要一个可靠的方案来计算力和力矩。如图4中验证结果的一个例子，beta;=4◦，分别在深水和非常浅的水情况下。

beta; = ，beta; = 和 gamma; = 0.4的计算已经验证，但没有包括在本文中。这些研究表明，旋转运动的情况下的不确定性比单纯的漂移情况要高(beta; = 和beta; = )。这可以归因于流动的复杂性增加。特别是大的旋转速率(gamma; ge; 0.4),不确定性增加。对于旋转运动，不确定性在X和Y上较大，而在N上是合理的。这可能是由于在纯偏航运动时，偏航力矩（贡献总和）比纵向力和侧向力（贡献不同）更明确。ReFRESCO理论上应为二阶收敛。然而，由于流量限制器、边界条件的离散和其他因素，在渐进范围内几何相似的网格显示的收敛阶数预计介于1和2之间。考虑不同的水深和条件的不确定性估算，显示的阶数不是总遵循这个期望。这表明需要更精细的网格，或者结果的发散破坏了不确定性的评估。不确定性与水深之间的关系还未找到。

另外，对螺旋桨平面上流场的网格密度的影响进行了研究。可以看到随着网格密度增加，CFD计算的结果与实验结果的吻合稍有改善，但是在试验中桨面上明显的钩形[5]没有得到很好解决(见图6)。

图4 不确定性分析，深水（左）和极浅水（右），beta;=

网格细化对流场的灵敏度被判定是小的，密度介于3340 times; 103 和12721 times;103之间时，流场变化不明显。观察六个网格解决方案间的差异，并不认为这种解决方案会提高网格精度，因此模型误差预计出现在CFD计算结果中。替代的湍流模型可能会改善结果，例如哥德堡2010会议期间展示的PARNASSOS[19]。

6.3 与实验比较

6.3.1 操纵条件

CFD计算结果与实验结果之间的比较如图5所示。总的来说，两者一致性是定性合理的，但是定量上存在相当大的差异。在大多数情况下，解决方案的验证没有实现，这表明模拟过程中存在模型误差或者不确定性对实验结果的影响是积极的。当解决方案被验证，验证水准一般较大，比如大于10%D。

特别对于X力，存在差异并且趋势表现的不是很好。同样的结果和趋势偏差由Zou获得[20]。这种差异的原因可能是忽略了自由液面和动态纵倾与下沉。然而，实验数据存在大量的分散，因此不确定性在实验中预计较大。此外，存在疑问的是实验中虚拟的底部是否全面封闭来正确模拟浅水条件，或者池壁的阻滞是否会影响结果。又见Simonsen等人[21]。这应该得到进一步的研究。

图5 计算值（蓝色点）与试验值（黑色点）比较，beta;（左）gamma;（右）

6.3.2 直航

对于深水，beta; = 和Re = 4.6 times; 10^6的计算，与实验的比较由Lee等人[5]和Kim等人[6]进行。CFD计算结果与实验结果的一致性在最上游的两个面表现很好（x = minus;0.35Lpp和 x = minus;0.4Lpp，这里没有呈现）。

图6 试验（左）和计算（右）的流场比较，有（下）无（上）漩涡校正，深水，beta; =

在下游，差异往船尾会增加。x =minus;0.4825Lpp的比较在图6的上半部分显示。正如6.2的讨论，期望通过选择替代的湍流模型得到改善。对这种假进行额外的计算，根据Dacles-Mariani等人[16]运用流向涡的Spalart修正。用这种校正，应变率S替换为Sc = Omega; C · min(0,S minus; Omega;)，应选择常数C，见Eca[22]。在目前的计算中，主动校正，C设置为10（这远远超出了应用的正常范围），结果由图6下半部分给出。可以看到经过校正，计算与实验之间的一致性改善相当大，这表明湍流模型的结果的敏感性。这些发现与Eca[22]和Eca等人[19]相符，基于PARNASSOS粘性流体求解器得到的结果。

在表3中，深水中的预测阻力与以前MOERI [6]进行的计算和实验进行了比较（由D表示， = 1.0 %D）。

表3 阻力预报，深水，，beta; = ，gamma;=0

此外，添加了Kume等人[23]关于KVLCC2M船型（除了螺旋桨轴的一些整流罩等同于KVLCC）的试验结果(rsquo;= 3.3 %Drsquo;)。该KVLCC2M阻力值已经对雷诺数的差异进行校正，使用形状因子（1 K）= 1.2。为了与文献中其它关于KVLCC2的预测阻力作比较，表中采用湿表面无量纲数值。总阻力用表示，摩擦力用表示，压力用表示。

ReFRESCO预测的阻力值较实验值高1.8%。假设数值的不确定性在Re = 4.6 times; 10^6和Re = 3.7 times; 10^6相同,即 = asymp; = 1.3 %S,验证不确定性大概为asymp;1.6%D。我们发现未修正的ReFRESCO结果

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