舰船科学技术  2020, Vol. 42 Issue (2): 25-28   PDF    
边界层网格尺度对高效舵水动力数值计算的影响
李邦华, 黎峰, 晋文菊, 刘向冬, 蒋曙晖     
上海船舶研究设计院,上海 201203
摘要: 体现边界层网格尺度的主要参数为壁面y+值。为了研究边界层网格尺度在高效舵水动力计算中的影响,在网格数量无关性检查的基础上,针对几种典型的y+值,应用Standard k-ε湍流模型对一种新型随边扭曲高效舵进行水动力计算,将预报值与模型试验结果进行对比分析。结果表明,不同的壁面初始y+值得到的结果有一定差异,综合来看,当壁面初始y+值取在30时得到的计算结果与模型试验吻合度最好。
关键词: 边界层网格尺度     高效舵     水动力     数值计算    
Research on impact of boundary layer grid scale in hydrodynamic performance computation of high effectiveness rudder
LI Bang-hua, LI Feng, JIN Wen-ju, LIU Xiang-dong, JIANG Shu-hui     
Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China
Abstract: Nondimensional wall distance y plus is the main parameter of boundary layer grid. In order to investigate the impact of boundary layer grid scale in hydrodynamic performance computation of high effectiveness rudder, the computational fluid dynamics method was adopted to predict the hydrodynamic performance of a high effectiveness twisted rudder by several typical y plus value and the standard k-ε model based on the mesh independence analysis. The numerical results were compared with physical experiment, which indicate that the numerical results exist differences among the different y plus value. The results could meet the satisfaction when the initial y plus value is about 30.
Key words: boundary layer grid scale     high effectiveness rudder     hydrodynamic performance     numerical simulation    
0 引 言

当流体在近壁面流动时,近壁区域各物理变量的变化梯度非常大,因此该区域在采用CFD进行数值计算时需要着重考虑。对于近壁区域的处理目前主要有2种方法:一种是壁面函数法,该方法无需对过渡层和粘性底层进行直接求解,而是通过半经验公式将湍流核心区域的求解变量与壁面上的物理量联系起来;另一种方法是近壁模型法,使用该方法时需要在壁面附近划分足够细的网格,使之可以求解粘性影响的区域[1]

对于k-ε两方程高雷诺数湍流模型与壁面函数相结合的模式,边界层网格尺度对计算结果有较大影响,即需要保证y+值在一个合理的范围[2]。资丹等[3]提出3种具有不同边界层网格尺度的网格划分方案,分析了不同初始y+值对泵站流场数值计算结果的影响。杜云龙等[4]确定出船舶阻力数值计算中对结果影响最大的因素为边界层网格尺度。Jialun Liu等[5]系统研究了网格类型、计算域形状、网格大小以及网格增长率对船舶舵系水动力计算结果的影响。Nguyen Van Trieu[6]采用SST k-w壁面模型法研究鱼尾舵随边宽度对水动力性能的影响。赖晨光等[7]研究了不同湍流模型在匹配不同边界层网格策略时对汽车外流场数值计算精确性的影响。

本文所进行的高效舵水动力数值计算属于高雷诺数粘性绕流问题,采用壁面函数法就可以有效地模拟流体的流动。为了研究边界层网格尺度在高效舵水动力计算中的影响,在网格数量无关性检查的基础上,针对几种典型的初始壁面y+值,应用Standard k-ε湍流模型对一种新型随边扭曲高效舵进行水动力计算,并将模拟结果与模型试验结果进行对比分析,从而为高效舵水动力计算提供参考。

1 模型试验

舵的敞水模型试验在上海船舶运输科学研究所的拖曳水池中进行。水池长192 m,深4.2 m,宽10 m,设置在水池上的拖车系统运行速度为0.01~10 m/s。采用六分力传感器测量作用在舵上的升力FL、阻力Fd和扭矩M

试验工况和缩尺比如表1所示。

表 1 随边扭曲高效舵缩尺比试验 Tab.1 Scale model test of high effectiveness twisted rudder

本试验需测量在不同舵角下舵的受力情况,力的测量从0°~30°范围每隔5°进行一次。试验时,首先需调整舵角至相应角度,再将拖车开至工况要求的速度,最后拖车保持匀速行驶至试验结束。舵的尾流场如图1所示。

图 1 舵的尾流场 Fig. 1 The wake field of the rudder