文摘
本文报告一个非粘性的直接小组之间耦合的发展策略方法和粘性复杂螺旋桨ows跑的方法及其应用。工作是出于高昂计算成本使用几何解决螺旋桨非定常粘性流动模拟分析海上航道的船舶动态。现在的努力旨在结合的优点两个基线的方法以减少数值预测精度的前提下。因此,粘性方法用于计算全球流场,而非粘性的方法预测螺旋桨上的力。相应的反应部队用作身体力量模拟螺旋桨对粘性流场的影响。例子包括指简单的验证情况下对孤立螺旋桨桨叶,验证模拟一个完整的螺旋桨敞水,更具挑战性的操纵船舶在海上航道的调查。报告结果显示公平的预测协议之间的耦合方法和完全粘滞模拟和显示耦合方法的效率。
1。介绍
螺旋桨的设计通常局限于开放的分析,深入水下,稳态条件。当关注船舶动态操作在严酷的条件,例如,海上船舶供应,需要更复杂的调查充分确定螺旋桨负载。离岸供应船只经常采用pod推进器和特性的一个显著影响船,pod住房,叶片上的自由表面加载当船暴露在波涛汹涌的海面。如此复杂的现象只能解决(至少)Reynolds-averaged n - s(跑)模拟湍流流动的方法,这是相当昂贵的,由于广泛的时间尺度。因此,只有几个例子相关背后船螺旋桨操作(例如,Carrica et al。1])或偏离设计的条件(例如,Sileo和Steen2])报道了粘性流动模拟。此外,多个域的方法使用滑动或重叠网格技术(见,例如,Muscari和Di Mascio [3])是必要的模拟螺旋桨和船体之间的相对运动。相反,方法基于位势流理论无法预测摩擦对尾流的贡献,因此不能用于模拟螺旋桨背后流的条件。
一个可行的解决方案预测精度的前提下尽可能地减少计算工作是夫妇的位势流方法分析螺旋桨与运行方法模拟海上航道的船舶绕流。
基本耦合原理相当成熟,因此只这里提到的一些例子。第一个方法模型螺旋桨力场的影响通过一个非粘流已经被Sparenberg称早在1972年(4,5),旨在找到最优致动器盘对于一个给定的推力。Schetz和Favin6,7]报道试图模型螺旋桨部队在一个轴对称流场采用单向耦合navier - stokes方程的流函数公式。一个更一般的双向耦合被斯特恩等人在1988年首先报道(8]。在稳态计算进行基于圆周平均螺旋桨部队。螺旋桨部队是由涡流栅格升力面方法和调整流场上游螺旋桨在迭代过程。
几个双向耦合方法与目前已经开发出了不同层次的复杂性。通常船和附件(即解决。,geometrically modeled) by the RANS mesh, and the effect of the propeller is computed externally to limit the computational and mesh generation effort. In most cases, steady potential-flow methods or even more simple assumptions, for example, prescribed force parameterisations [9)是用来确定螺旋桨的影响。
给出了这种方法的一个例子菲利普斯et al。10]。作者描述动量耦合过程使用叶片元素理论(BEMT)模型螺旋桨部队。这些力量应用于经营领域包括船体和舵。一个平均RANS-calculated标称伴流系数评估在规定的径向位置作为BEMT的输入。从BEMT获得计算推力和扭矩值转换为radius-averaged动量源项在圆柱区域代理运行域内的螺旋桨的位置。与这些身体力量,稳定运行仿真迭代收敛。作者采用的方法计算出作用在舵与公平的准确性。
另一种可能性在跑计算模型螺旋桨部队被穆勒等。11]。作者比较的性能系数与几何解决螺旋桨力模型。螺旋桨的影响不是从一个非粘性的数值分析计算,而是基于建模建立力系数评估叶片的不同部分。他们研究了螺旋桨的影响表示在尾船区域速度分布以及相关的计算和网格划分工作。好观察精度速度分布与模拟的计算量小得多的与螺旋桨模型由于越来越nonsliding网格。在穆勒的方法,一个简化的速度分布位于上游短途,螺旋桨作为输入系数模型。规定的推力和转矩的贡献确定径向叶片部分。螺旋桨模型因此认为推力和转矩的变化在径向和圆周方向而不是实际叶片的位置。
摘要报告的开发和应用程序之间的耦合程序跑法和边界元法(BEM)对明显不稳定行为的螺旋桨推力和扭矩大的振幅船舶运动。为此time-accurate螺旋桨负荷计算的非粘法应用于跑法无周向和径向平均。此外,不需要旋转网格模拟的螺旋桨和小得多的电网运行仿真可以使用一个特性的特定非定常模拟涉及多个时间尺度相关性。
本文的其余部分的结构如下。第二和第三部分致力于粘性和非粘性的基准方法。第四部分概述基本原理的耦合策略,而部分5指的是网格研究涉及动力学和验证研究基于一个螺旋桨诱导速度的比较。随后,验证耦合方法的不同步的螺旋桨和船桨交互作用的调查申请海上航道。本研究的目的是计算速度损失和额外的机动船舶在波浪阻力。本文以大纲的结论和未来的目标7。
2。粘性方法
本文中介绍的耦合方法使用有限体积流体流动过程粘性基线法。壁画的工具是一个副产品套件(12),汉堡大学的联合开发技术(TUHH),汉堡的船模型盆地(HSVA)和荷兰海事研究所(马林),开发的庇护下FP6欧盟内部的主动权美德(13]。仿真包加上一个伴随流解决广告-,致力于形状优化14)——一种overset-grid技术(15)和动态grid-adaptation方法(16]。该算法解决了不可压缩流体的n - s方程由两个(或更多)(即非混相阶段。空气和水),即 与 在哪里,,代表速度的笛卡尔坐标向量,向量空间坐标和体力,,,,表示时间、压力、流体密度、分子和动荡的动态粘度。房地产指的是当地的空气体积浓度(又名混合物分数),后缀是指空气,后缀指的是水。
隔离算法是基于强大的保护形式的动量方程,采用cell-centered,托管的存储安排所有交通属性。结构化和非结构化网格具有任意多面体细胞或挂节点可以使用。二阶精度的隐式数值近似空间和时间。积分近似使用传统的中点规则。解决方法是迭代收敛使用简单类型压力校正方案。各种turbulence-closure模型使用统计(跑)或scale-resolving (LES和DES)方法是可用的。两相流是由interface-capturing建模方法基于水平集或volume-of-fluid(受到)技术。获得解线性方程系统,采用PETSc库提供的方法。使用域分解算法并行化技术基于单个程序多个数据(SPMD)消息传递模型。处理机间通信采用MPI通讯协议。 Load balancing is achieved using the ParMETIS partitioning software.
3所示。非粘性的方法
位势流方法锅母马(17是汉堡大学开发的技术。它使用一个边界元解拉普拉斯方程:描述一个潜在的流场。总速度势由潜在的由于流入速度和扰动势由于身体的存在。后者是分布式建模使用源的线性组合和对比表面的物理边界出现在模拟流体域。当应用绿色拉普拉斯方程的第三个身份,一个点的速度势在流体领域 在哪里表示数量的四边形板的身体表面板的数量尾流螺旋桨桨叶表面。源强度的面板是和偶极子强度。面板区域,nj其法向量指向到流。评估点的距离的面板是。
诺伊曼边界条件需要速度正常的边界面等于零()。源强度计算基于流入速度:
此外,尾流的偶极子强度板被定义为线性库塔条件。它是应用于板直接连接到机翼后缘和偶极子强度的第一个面板叶片尾流()成为 的偶极子的优势直接连接板的身体表面吸(“上层”)和压力(螺旋桨桨叶的“低”)。螺旋桨后表的面板变形结合当地的流动。
使用上述边界条件方程系统和未知的偶极子的优点可以解决。面板的压力是由伯努利方程在搭配点评估:
考虑粘性影响,实证实现摩擦修正公式。计算背后的力量作用于螺旋桨船任意分布的流入速度(例如,nonaxisymmetric)可以用作流入条件。
4所示。耦合策略
目前的方法模型螺旋桨由一组等效的身体力量嵌入在粘性流动。身体力量来源于非粘性的螺旋桨负荷计算的方法反过来要求规定的速度分布上游的螺旋桨。战略是基于交换两个属性,即非粘螺旋桨诱导的身体力量的转移粘性解算器和转让后速度非粘性的解算器。至于实现,两个耦合过程相关的细节(a)空间和(b)颞转让信息的具体利益。前相关的问题是完全不同性质的两种网格之间的映射技术。的速度转移飞机通常是位于0.5R -1.0R上游的propeller-where表示定义的螺旋桨半径。在这架飞机,跑的速度计算方法映射到一组预定义的位置在一个圆形域(指定相应的角向和径向位置)如图1。
身体力量的空间转移的潜在流求解粘性解算器遵循不同的路线。每本小组力量之一是转移以来,部队的压力和吸力面刀片分别转移。这些部队分布在相邻流体细胞中心运行网的体积身体力量(图2)。尽管粘性的网格和非粘性的方法明显不同,尤其是对网格密度,映射程序维护部队保护。它利用cell-search算法(15),连接每个小组最近的细胞中心和相应的邻近的细胞在一个保守的方式。
时间传递的信息,三个不同的开发技术。第一指的是一个明确的策略,每个时间步执行一个数据传输,而在隐式模式,相应的数据转移几次每个时间步流程图如图所示3。
在每个耦合周期的开始,粘性螺旋桨飞机的速度分布上游转移到非粘性的方法。在显式模式下,这些粘性后速度是基于前一个时间步的信息。后现场计算粘性解算器本身就是螺旋桨的影响通过诱导速度。非粘性的解算器要求有效后流入条件,螺旋桨诱导速度必须减去从粘性。因此,在每个耦合周期这些诱导的非粘性的方法首先计算速度得到有效。然后算法所得方程系统的解决方案锅母马确定螺旋桨的力量。力分布是转移到粘性方法和显式模式的时间步是确定解决方案的控制方程。
在隐式模式,多个耦合周期在每个时间步执行。这里,非粘性的解决方案是嵌入到外部隔离粘性求解的迭代过程。对于每一个时间步,外层迭代序列执行显式模式符合描述。一个更新time-accurate粘性速度分布是转移到本外迭代。有效和诱导速度受雇于醒来锅母马,也因此,time-accurate的方式决定的。解决方案的发展融合的解决方案是实现后的时间解决。
第三种模式是指semiexplicit技术,全球耦合过程遵循明确的模式,但是螺旋桨诱导速度迭代收敛在每个周期的耦合。使用前一个时间步的非粘性的解作为初始猜测诱导速度,后者是一系列新的非粘性的解决方案更新。各自的有效后领域因此由前粘性后,诱导速度。
5。验证
本部分介绍隐式之间的比较,明确,semi-implicit耦合方法中描述的部分4。强调了实现计算效率的时间步大小和速度的上游位置转移飞机。主要是分析的结果为模范one-blade螺旋桨诱导速度计算。比较两者之间的诱导速度由速度场RANS-domain和诱导速度计算锅母马。都是来自一个耦合模拟水下推进器。对于这种情况,两个网格事先进行研究,第一是指开放水域计算只使用不同RANS-grids BEM和第二耦合的开放水域的模拟。最后,相应的四刮刀螺旋桨和比较的结果之间的耦合和粘性与几何建模仿真螺旋桨。研究了螺旋桨和应用坐标系统可以在图中找到4。可以找到更详细的测试用例6.1。
5.1。网格的研究
5.1.1。边界元网格
本内,叶片几何discretised板,指板的径向方向和数量在圆周方向上的叶片数量部分。中心几何建模。使用五种不同网格,计算的偏差kt价值最好的网格的值如表所示1。
在径向方向,越来越多的板的形状后后表面特别是叶片尖涡形状可以更准确地确定。的网格面板选择进行进一步的调查。
5.1.2中。RANSE网格
与above-selected BEM-grid跑网格的网格研究耦合模拟。盒子形状网格用于水不继承任何几何耦合过程。生成不同的细分领域内的域,和非结构化网格由六面体的细胞体积。一个细化框包含螺旋桨区和其他两个螺旋桨尾流区。飞机,速度场传递给本,也是精致盒子内。由于discretisation,螺旋桨部队分布在不同的网格细胞的数量也导致不同的螺旋桨力分布,因此不同的螺旋桨流入。因此,计算网格之间的推力和扭矩值不同。网格生成和预测kt值比例给出了在表2。
值计算推力只有范围粗和最好的网格。这个结果是令人鼓舞的,因为粗网格足以捕捉相关的影响相关传输速度的BEM和分配部队跑网格。当然,当焦点位于确定瞬态力任何类型的结构(例如,一艘船或者一个推进器)网格密度会进一步调查。
以下计算,300 k细胞选择网格,因为计算推力值匹配完美与最好的网格,计算时间还短。
5.2。调查的诱导速度
随后的分析是基于诱导速度半径固定的评价。螺旋桨大多在预支的比率。当叶片顶端的位置,诱导速度的值是所有角位置的描述之间的和。在评价半径,叶片的前缘位于约和后缘约由竖线表示图5。诱导速度计算在一个平面的距离在螺旋桨的前面。采用时间步是指3.78°的角位移。结果显示通过轴向、径向和切向速度分量。诱导速度的值是由流入nondimensionalised的速度。
根据坐标系统,负axial-induced速度表示的加速流动。在图5本节目,轴向速度值计算的急剧增加,直到他们达到最高的地区直接影响叶片后缘的约。这个职位后,引起轴向速度逐渐减小,直到达到一个最低前缘的位置附近。诱导径向速度是向内,显示了一个小变化在圆周方向。无意中引起的明显的最大速度是指示的方向旋转,发现在大约三分之一的弦长。下面的分析,只有使用诱导速度矢量的轴向分量。
当比较不同的耦合算法的数字6和7结果,只有上半部分的角位置显示为了更多的间隙。很明显,不同的耦合模式的结果非常相似。可以找到对的异同的急剧增加引起的轴向速度主要与后缘之间。隐式算法显示了一个稍早些时候,更强调速度的增加。这也可以发现semi-implicit算法明显可见的更少。找到符合小nonimplicit耦合固有的延时。基线方法显示的一个很好的协议预计最大值,而更为明显最小值预测的非粘性的本。除此之外,这些值的耦合方法之间没有显著差异。这个非常简单的情况下,显式方法似乎足以捕捉相关的影响。从今以后,这只变种的耦合算法用于以下分析和模拟部分6,由于拉pod安排没有明显的船可以观察到韦克菲尔德。
在图8,比较正常诱导速度在轴向方向上三个不同的时间步大小。中时间步也应用在前面的调查。再次注意仅限于上面的角位置的一半。它可以观察到,面前的陡度的增加减少时间步大小的最大值是增强。因为整个协议是公平的,媒介选择时间步进行进一步的调查。
在分析不同的诱导速度上游叶片之间的距离和速度场的传输平面,一个明确的依赖关系是显而易见的。上游影响螺旋桨的局部有限,传送平面应尽可能靠近螺旋桨(图9)。解决更大的距离之间的关系仍然是足够的,但诱导的总价值轴向速度显著降低,减少了约三分之一的距离在评估。这意味着,诱导速度应尽可能靠近螺旋桨的位置决定的。然而,当距离减少,飞机撞向本内的叶片的前缘。在图所示的最小距离9因此,这里提出用于其他调查。诱导速度计算的本是略小于计算的跑,结果在一个螺旋桨overpredicted流入速度。这也占了诱导速度半径以外距离,取决于当地的叶片和水动力的攻角剖面图(见图9和10)。
调查不同的诱导速度的螺旋桨载荷可以在图中找到10。曲线的特征是相似的,但绝对粘性和非粘性的诱导速度计算之间的区别是降低推进比率更大。正在考虑的困难与非粘性的方法在模拟高负荷的螺旋桨,这个结果似乎仍满足耦合算法的目的。
图11显示了三个组件的诱导速度四刮刀螺旋桨J= 0.5。的径向和切向的解决组件之间的相关性很好,说明了螺旋桨面临相当于工作条件涉及基线的方法。最后,诱导速度计算在与几何耦合模拟和运行仿真模型螺旋桨相比在图12。其中,值预测的耦合方法源自于粘性计算速度场。虽然模拟之间的网格大小明显不同,曲线的特征非常相似,但跑的高峰值模拟不能完全被耦合模拟。
6。验证和应用
6.1。螺旋桨的敞水条件
第一个应用程序例子指的是计算螺旋桨的敞水,在模型比例尺的保护下实验是由MARINTEK PROPSEAS (Kozlowska et al。18])。研究了螺旋桨的直径D= 0.2 m和运作n= 18石头剪刀。不同的推进系数是通过流入速度的一种变体。螺旋桨的数值网格中使用本由576面板/刀片(cf图(13日))。图13 (b)显示了螺旋桨粘性网格的政权。约2.500 15.000控制卷的尾盘是受到身体的力量。雷诺数基于弦长在螺旋桨叶片,产生的速度。被认为是完全湍流流动,和标准k- - - - - -应用湍流模型。
(一)
(b)
生成的测试用例的开放水域的图可以在图中找到14。耦合过程的结果与虚线所示,从BEM-solver而获得的结果锅母马与虚线所示。比较的测量MARINTEK表示的固体曲线和运行模拟的几何模型螺旋桨(标有封闭的圆圈)。一个公平的协议被预测的推力值,同时为转矩值出现较大的偏差。原因可能恶化可以实证确定内表面摩擦损失锅母马,有更大的影响上的扭矩比推力。此外,结果和小偏差之间的耦合锅母马。这可能是受到不同分辨率的压力峰值之间的前沿相关方法。
6.2。调查自航的船在规则波
作为第二应用程序耦合过程的螺旋桨船配置模型规模的调查。船自航经营的平静的水面,在常规波的波长和一个波的振幅。操纵在常规波时,船在垂直平面上自由移动(飙升、音高和胀)。这个测试用例的目的是探讨船舶行为头波,并特别关注附加阻力。容器的几何形状是描绘在图15。这张照片说明了该船的船体形状以及pod住房和轮廓的几何形状的主要维度。
计算网格采用由160万卷和描绘在图的控制16。
大约80%的细胞位于船在自由表面和周围地区。船是指离岸供应船舶配备两个豆荚拉配置。中心对称条件应用飞机,螺旋桨不粘性域几何解决。这显著简化了内部的网格生成方法,因为相对粗和笛卡尔网格可用于螺旋桨飞机作为显示在图17。面板网格用于粘方法模型螺旋桨,这节是一样的6.1576板/刀片。
推进器运作以恒定的革命n= 9数。为了能够模拟许多波周期,相对较大步伐相应的角位移选择的螺旋桨。初始化容器的速度估计的速度向前发展在这两种情况下。的进化时间船速度是描绘在图18。其中,实线显示的结果平静的水面,而虚线所示波的前进速度的时间序列。在平静的水面,一个稳定的速度对应达到最后的模拟。波的预测目标船的速度是相当小。在这种情况下,附加阻力导致速度降低近12.5%相比,平静的水面。此外,更大的目标速度的波动。因此,这个结果说明了即使是温和的浪高可导致显著减少的速度。
这两种情况下的相应的阻力值绘制在图19的时间间隔10波周期。
再次,平静的水面结果实线,而虚线显示船舶阻力。大波动期间观察到的波头的模拟。总共时间平均增加电阻值可以估计23%到静水阻力。
这些额外的阻力在头波主要是影响沥青船的运动。螺旋角的历史的时间相应的时间框架的仿真如图20.。注意修剪的船的船尾在平静的水面,导致负平均螺旋角头波。
除了前面的结果,图21显示时间的历史计算推力值。由于小前锋速度波,螺旋桨运行推进系数降低,从而导致更大的推力系数值。
在图22,计算自由表面高程时间即时显示,当波峰舯剖面。当时推进器是影响槽和轨道速度在轴向方向指向前方。轴向速度的平均值在解决跑片之间的韦克菲尔德和是小于静水的情况。当船只上腹部在于槽的面积和螺旋桨因此下一个波峰,轴向速度增加了一倍。这些大值的实际音高运动引起的船。看内在的或外在的半径时,差异较小,因为它们叠加通过船只边界层或的滞止压力中心。
在数据23和24、纵向和横向切片速度场的螺旋桨地区同时即时的模拟。还细化的网格区域可以看到。四个单叶片可见的痕迹也从过去的步伐不强调痕迹。由于上述时间步大小的,他们在实际的痕迹。虽然网格粗的不同表示单叶片是可行的。在图24螺旋桨的位置前面的豆荚住房和螺旋桨滑流的是清晰可见。
仿真包括船模型遇到80波时间占一个真正的大约70秒。仿真时间约为两周两个八核计算机。
虽然不存在验证数据对于这种情况,结果表明提出的功能耦合过程的调查螺旋桨船交互。
7所示。结论
本文报道的发展之间的紧耦合算法非粘性的边界元法用于螺旋桨流和一个运行方法。程序使用螺旋桨迫使非粘性的方法计算模拟粘性流解算器内的螺旋桨,螺旋桨而流入条件所提供的代码运行的方法。
的一个关键方面程序的准确性是诱导速度场的决心。这里,提出验证研究揭示了一个足够的精度,保证解决等效螺旋桨的工作条件。令人鼓舞的结果获得了两个应用实例。此外,计算工作量大大减少模拟几何解决螺旋桨。解决了网格生成是简化为粗和简单的六面体网格可用于螺旋桨飞机。此外,耦合算法健壮和显示良好的收敛行为。
确认
这项工作进行了MARTEC PROPSEAS研究项目的一部分,由德国联邦经济和技术部(BMWi)和挪威的研究委员会。合作伙伴在项目MARINTEK,劳斯莱斯,挪威科技大学,汉堡大学技术,Duisburg-Essen大学Farstad航运和Develogic GmbH德国劳埃德船级社。用几何图形的应用程序部分6由劳斯莱斯和Farstad航运提供。