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基于重叠网格方法的中型邮轮减摇鳍数值和试验分析.pdf
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1、收稿日期:修回日期:录用日期:作者简介:姚汝林(),博士生,主要从事船舶与海洋工程先进制造研究通信作者:余龙,副教授,电话(T e l):;E m a i l:y u l o n e s j t u e d u c n 文章编号:()S D O I:/j c n k i j s j t u S 基于重叠网格方法的中型邮轮减摇鳍数值和试验分析姚汝林,樊奇东,余龙,汪学锋,(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 ;上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 )摘要:减摇鳍是解决船舶横摇的有效办法之一,可提升邮轮的舒适性该装置一般由一对或两对可伸缩的鳍组成,对称地安装在船舶的两侧舭部,通过控制
2、算法依靠鳍的水动力升力提供运动阻尼然而,不同航速和不同攻角下减摇鳍与船舶的耦合分析还较少,尤其是船体流场对鳍阻力的影响尚缺乏研究利用模型试验和数值分析方法研究某邮轮的阻力性能和鳍的运动影响,比较数值和模型试验结果,对减摇鳍引起的阻力和船鳍耦合运动进行研究,为减摇鳍的设计和选择、邮轮设计和性能预报提供了参考关键词:减摇鳍;模型试验;邮轮;不同攻角;不同航速中图分类号:U 文献标志码:AN u m e r i c a l a n dT e s t i n gA n a l y s i so f F i nS t a b i l i z e r so fAM e d i u mS i z e dC
3、r u i s eS h i pw i t hO v e r s e tG r i d sY A OR u l i n,F ANQ i d o n g,Y UL o n g,WANGX u e f e n g,(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fO c e a nE n g i n e e r i n g,S h a n g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y,S h a n g h a i ,C h i n a;S c h o o l o fN a v a lA r c h i t e c t u r e,O
4、c e a na n dC i v i lE n g i n e e r i n g,S h a n g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:F i ns t a b i l i z e r s r e p r e s e n t a ne f f e c t i v es o l u t i o nt oa d d r e s s t h e r o l lm o t i o no f s h i p sa n d i m p r o v e t h ec o m
5、 f o r to fp a s s e n g e r so nc r u i s es h i p s T h e s ed e v i c e s t y p i c a l l yc o m p r i s eo fo n eo r t w op a i r so f r e t r a c t a b l ef i n s,s y mm e t r i c a l l ym o u n t e do ne i t h e rs i d eo f t h es h i p,w h i c hu t i l i z eh y d r o d y n a m i c l i f t t o
6、d a m p e nm o t i o nt h r o u g hac o n t r o l a l g o r i t h mH o w e v e r,c o u p l i n ga n a l y s i so f f i ns t a b i l i z e r sa n ds h i p sa tv a r i o u ss p e e d sa n da n g l e so fa t t a c kr e m a i n sl i m i t e d,p a r t i c u l a r l y w i t hr e g a r dt ot h ei m p a c t
7、o ft h eh u l lf l o wf i e l do nf i nr e s i s t a n c e T h i sp a p e r i n v e s t i g a t e st h ed r a gp e r f o r m a n c ea n dt o w i n gm o t i o no fac r u i s es h i pu s i n gm o d e lt e s t sa n dn u m e r i c a l a n a l y s i sm e t h o d s,a n dc o m p a r e st h er e s u l t so
8、f t h en u m e r i c a l a n dm o d e l t e s t s I ta l s oe x a m i n e st h ed r a g r e s u l t i n g f r o mf i ns t a b i l i z e r s a n d t h e c o u p l i n gm o t i o no f t h e s h i p,o f f e r i n g i n s i g h t f o r t h ed e s i g na n ds e l e c t i o no f f i ns t a b i l i z e r s
9、,c r u i s es h i pd e s i g n,a n dp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n K e yw o r d s:f i ns t a b i l i z e r;m o d e l t e s t;r e s i s t a n c e;c r u i s es h i p;d i f f e r e n t f i na n g l e s;d i f f e r e n t s h i ps p e e d第 卷 增刊 年 月上 海 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FS HAN GHA I J I AOT
10、 ON GUN I V E R S I T YV o l S u p O c t 增刊姚汝林,等:基于重叠网格方法的中型邮轮减摇鳍数值和试验分析 减摇鳍是解决船舶横摇的有效办法之一,可提升乘客的舒适感该装置一般由一对或两对可伸缩的鳍组成,对称地安装在船舶的两侧舭部,利用控制算法依靠鳍的水动力升力提供运动阻尼,削减船舶横摇许多学者对减摇装置进行了研究,比如减摇水舱、移动重量、减摇陀螺以及舭龙骨,可以在较低航速时平衡船舶然而,应用这些技术的难点在于船舶的尺寸、功率和成本典型的减摇鳍结构如图所示一套减摇鳍通常有一对分布在两舷的鳍片,由液压单元和本地控制单元(L C U)驱动,由一个驾驶台控制单元(B
11、 C P)、一个主控制单元(MC U)和一个横摇传感器单元(RM S U)构成关于鳍的选择与其他减摇装置的比较参见文献图可收放减摇鳍装置F i g R e t r a c t a b l e f i nd e v i c eG a i l l a r d e和R a m等针对多种不同的带减摇鳍船型进行了模型和数值模拟试验,研究减摇鳍升阻力性能但是在不同角度、不同速度下鳍片的升力和阻力特性研究还较为欠缺 P e r e z等的研究表明,有效攻角应被限制以避免出现动态失速有学者对一艘鳍翼型为NA C A 的水翼巡逻艇进行数值分析,发现在、和 攻角,船速为 k n(k n m/h)时,鳍的攻角增加引
12、起阻力增 大攻 角 时,船 体 阻 力 增 加 总 量 可 达 K i m等对安装减摇鳍的邮轮在遭遇波浪条件下的运动进行了数值分析当船速为 k n(中等速 度)时,减 摇 鳍 控 制 系 统 将 横 摇 振 幅 降 低 了 当船速为k n(低速)时,横摇振幅降低了 为进一步研究船鳍耦合,以一艘中型邮轮为对象,使用重叠网格计算模拟方法对不同攻角下带减摇鳍的邮轮总阻力进行分析,并通过模型试验对计算流体动力学(C F D)结果进行验证同时也研究了在静水中船鳍耦合作用以及带减摇鳍船舶的升沉和横摇运动,为计算带减摇鳍船舶的设计提供参考 带减摇鳍邮轮船型介绍以一艘中型邮轮为研究对象,该船 的模型主要参数如
13、表所示表船模型主要参数T a b M a i np a r a m e t e r so f t h e s h i pm o d e l参数数值垂线间长,LP P/m 型宽,B/m 吃水,T/m 排水量,/t 湿表面积,Sw/m 重心,LC G/m 重心,KG/m 鳍切片翼型NA C A 鳍弦长,C/m 长宽比 鳍长,LF/m 三维模型如图所示,船中带有一对减摇鳍,鳍安装在水线之下,通过沿自身轴的旋转实现不同角度图带有一对减摇鳍的船舶模型F i g S h i pm o d e lw i t hap a i ro f f i ns t a b i l i z e r s 上海交通大学学报第
14、卷在使用过程中,船两侧的鳍片并不总是对称地旋转当横摇达到最大程度时,两侧的鳍会发生不对称旋转,以便获得更大抗摇力矩;比如,左舷的鳍向上旋转(顺时针旋转),而右舷的鳍则向下旋转(逆时针旋转),可旋转幅度为 ,如图所示图鳍片的不同的旋转方向F i g F i n sw i t hd i f f e r e n t r o t a t i o nd i r e c t i o n s数值方法由于带减摇鳍邮轮航行时强非线性与黏性的影响,为了获得高精度的模拟,应用雷诺平均纳维斯托克斯(R AN S)求解器和重叠网格进行数值分析 控制方程采用通用C F D软件S T A R C CM开展带减摇鳍邮轮的黏性
15、流动模拟,使用有限体积法方法捕捉自由液面 R AN S方法被证实在船舶的阻力计算中拥有较高精准度 连续性和动量守恒方程如下:uixi()(ui)txj(ujui)pxiFixj(j iRj i)()式中:ui、uj分别为雷诺平均速度分量;xi、xj分别为位置分量;为流体密度;t为时间;p为压力;Fi为混合函数;j i为应力分量;Rj iu ju i为雷诺应力项或湍流应力项;在雷诺平均方程中,这个未知量使方程不封闭为了使方程封闭,加入S S TK Om e g a湍流模型 重叠网格技术重叠网格又称O v e r s e t,是将模型中流动区域划分成几何边界比较简单的子区域形成网格,然后嵌套进背景
16、网格中计算通过在重叠网格区域相互的插值,使得子区域的网格在重叠边界进行数据交换,从而完成整个流场的求解使用重叠网格技术能在特定位置进行局部加密,使物体不受与网格之间的拓扑结构上的约束,能够让物体在计算域内自由运动减摇鳍作为附体被船舶安装后,会对船体的受力和运动产生一定影响利用重叠网格处理这种耦合流场问题下的船舶阻力和运动,在过往研究中已经被证明能够获得较好结果 计算域及网格划分计算针对带鳍船,建立两套网格第一套为背景网格,尺寸为 LP P LP PLP P,网格数量为 ,背景网格的入口、底部和顶部的边界条件设置为速度入口,出口设置为压力出口第二套为船体带鳍附近网格,尺寸为 LP P B D,D
17、为船的型深,网格量为 ,计算域如图所示计算不同攻角减摇鳍使用相同的背景网格,不同攻角的船体带鳍网格根据几何作变化,如图所示为顺利捕捉减摇鳍周围流场,重叠网格下相同船速下鳍片表面的局部流线、Y的比较分别如图和图所示Y为研究流体在近壁面区域的流动状态而引入的无量纲距离图计算域设置F i g C a l c u l a t i o nd o m a i n增刊姚汝林,等:基于重叠网格方法的中型邮轮减摇鳍数值和试验分析 图船体带鳍周围网格F i g M e s ha r o u n dt h eh u l lw i t hf i n s图带鳍的船舶模型F i g S h i pm o d e lw i
18、 t hf i n s图 减摇鳍流线信息F i g S t r e a m l i n e i n f o r m a t i o no f f i ns t a b i l i z e r图船和 鳍的YF i g Y o fv e s s e l a n d f i n s相关计算表明,在Y小于 时,能捕捉到减摇鳍附近的流线细节,可获得阻力和运动较好的模拟结果 试验设置在上海交通大学多功能船模拖曳水池进行阻力系列试验拖曳水池的尺寸 m m m,拖车最大速度为 m/s 图显示了整个船模的几何和减摇鳍的安装位置:在船中部安装了一对减摇鳍,纵向位置距离船尾 上海交通大学学报第 卷边界约 Lp p,
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