基于CFD的圓弧型風(fēng)帆氣動(dòng)優(yōu)化

黃連忠， 林虹兆， 馬冉祺， 林煜翔

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026；2.中國(guó)船級(jí)社重慶分社,重慶 401121; 3.德州大學(xué)奧斯汀分校 環(huán)境流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室， 美國(guó) 德克薩斯州 78741)

HUANG Lianzhong1, LIN Hongzhao2, MA Ranqi1, LIN Yuxiang3

基于CFD的圓弧型風(fēng)帆氣動(dòng)優(yōu)化

黃連忠1， 林虹兆2， 馬冉祺1， 林煜翔3

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026；2.中國(guó)船級(jí)社重慶分社,重慶 401121; 3.德州大學(xué)奧斯汀分校 環(huán)境流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室， 美國(guó) 德克薩斯州 78741)

在傳統(tǒng)單圓弧型風(fēng)帆的基礎(chǔ)上，針對(duì)船用助航風(fēng)帆的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一種新型雙圓弧型風(fēng)帆。采用FLUENT軟件的SST模型，運(yùn)用控制變量法對(duì)該雙圓弧型帆的內(nèi)拱拱度比和外拱拱度比進(jìn)行氣動(dòng)力學(xué)的仿真優(yōu)化，并基于最大推力系數(shù)選擇其最佳參數(shù)。對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果能較好地吻合。優(yōu)化后的風(fēng)帆的升力系數(shù)和最大推力系數(shù)較傳統(tǒng)的單圓弧型風(fēng)帆有大幅度的提高。

風(fēng)力助航船舶；單圓弧型帆；雙圓弧型帆；仿真優(yōu)化；風(fēng)洞試驗(yàn)

HUANGLianzhong1,LINHongzhao2,MARanqi1,LINYuxiang3

Abstract: A new kind of double-arched sail is proposed based on the traditional arched-sail. The aerodynamic characteristics with different inner and outer amber ratios are numerically optimized with FLUENT software based on SST model by the method of controlling variables, and the optimal parameters are chosen based on the maximum thrust coefficient. Wind tunnel tests of the model are conducted. The results of lift coefficient and drag coefficient obtained by the numerical simulation coincide with the wind tunnel tests data. The optimized double-arched sail is of much bigger lift coefficient and maximum thrust coefficient compared to traditional arched sails.

Keywords: sail-assisted ship; arched-sail; double-arched sail; simulation-based optimization; wind tunnel test

以風(fēng)能作為動(dòng)力輔助船舶航行(即風(fēng)帆助航) 是將新能源應(yīng)用于船舶航運(yùn)中的重要途徑。[1]目前風(fēng)帆助航的節(jié)能效率為5%～15%[2]，如何進(jìn)一步提高其節(jié)能效率以達(dá)到節(jié)能減排的目的已成為影響風(fēng)帆助航技術(shù)應(yīng)用的主要問(wèn)題。風(fēng)帆助航的節(jié)能效率主要取決于風(fēng)帆的有效使用面積、船舶航線上可利用的風(fēng)力資源和風(fēng)帆的空氣動(dòng)力學(xué)特性，其中風(fēng)帆的有效使用面積和船舶航線上可利用的風(fēng)力資源在航線一定時(shí)是不可變因素。提高風(fēng)帆節(jié)能效率的方法主要是通過(guò)改變風(fēng)帆的帆型獲得較好的空氣動(dòng)力學(xué)特性。[3]

目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)風(fēng)帆種類的研究較多，相對(duì)而言，傳統(tǒng)矩形帆翼[4]的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，消耗額外的能量少，節(jié)能效率高，仍是很多風(fēng)帆安裝船的首選。傳統(tǒng)單圓弧型風(fēng)帆是矩形風(fēng)帆的一種，故對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，使其成為雙圓弧型風(fēng)帆，優(yōu)化其性能。風(fēng)帆調(diào)整前后的外形見(jiàn)圖1；通過(guò)無(wú)量綱化處理，定義其外拱拱度比和內(nèi)拱拱度比，得到2種風(fēng)帆的外形參數(shù)(見(jiàn)表1)。通過(guò)FLUENT仿真優(yōu)化并基于最大推力系數(shù)得到最佳模型;通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比。

a) 單圓弧帆

b) 雙圓弧帆

表1 單圓弧和雙圓弧型帆的外形參數(shù)

1 風(fēng)帆的坐標(biāo)系和空氣動(dòng)力分量

建立CL-CD極坐標(biāo)和風(fēng)帆坐標(biāo)系(見(jiàn)圖2),其中:L為升力方向;D為阻力方向；α為視風(fēng)矢量與帆平面的夾角(幾何攻角);θ為視風(fēng)矢量與船舶航向的夾角(相對(duì)風(fēng)向角)；x為船舶航向;y為垂直航向的橫向方向。

圖2 CL-CD極坐標(biāo)和風(fēng)帆坐標(biāo)系

定義CL為風(fēng)帆升力系數(shù)，CD為風(fēng)帆阻力系數(shù)，Cx為風(fēng)帆合成推力系數(shù)，Cy為風(fēng)帆橫向力系數(shù),其表達(dá)式為

(1)

圖2中，CL-CD曲線的橫坐標(biāo)方向與相對(duì)風(fēng)速平行且同向;船的航向線通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，沿該航向線作其垂線，并與CL-CD曲線相切(圖中最大助航力點(diǎn))，切點(diǎn)對(duì)應(yīng)的攻角即為翼帆的最佳攻角，沿x方向的投影為最大推力系數(shù)Cxmax，沿y方向的投影為此時(shí)對(duì)應(yīng)的橫向力系數(shù)Cy。[5]

2 雙圓弧型風(fēng)帆的FLUENT優(yōu)化

2.1數(shù)值計(jì)算模型選擇

為保證與海況條件相近，采用雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則；同時(shí),受限于風(fēng)洞的風(fēng)速范圍。經(jīng)綜合權(quán)衡,控制仿真模型弦長(zhǎng)均設(shè)為1 m，仿真風(fēng)速為10 m/s，此時(shí)雷諾數(shù)的數(shù)量級(jí)約為106。運(yùn)用控制變量法分別改變外拱拱度比和內(nèi)拱拱度比，將不同參數(shù)實(shí)體模型導(dǎo)入到前處理軟件Pointwise中進(jìn)行網(wǎng)格劃分?；旌暇W(wǎng)格集成了結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)SST模型的使用對(duì)第一層網(wǎng)格高度(Y+)的要求[6]很高，故網(wǎng)格采用邊界層網(wǎng)格+三角網(wǎng)格，網(wǎng)格點(diǎn)在流動(dòng)邊緣加密(見(jiàn)圖3)。整個(gè)計(jì)算區(qū)域取一個(gè)邊長(zhǎng)為風(fēng)帆弦長(zhǎng)10倍的正方形，風(fēng)帆包圍在其內(nèi)?？紤]到雷諾應(yīng)力的影響會(huì)導(dǎo)致求解不封閉，計(jì)算采用RANS加湍流模型的方法;而在航空領(lǐng)域,對(duì)增升裝置進(jìn)行仿真使用較多的是SA一方程模型和較高精度的SST二方程模型[7]。因此,這里采用SST模型計(jì)算無(wú)限大展弦比雙圓弧型風(fēng)帆在0°至臨界失速角附近的升阻力系數(shù)。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

2.2參數(shù)優(yōu)化仿真結(jié)果

2.2.1外拱拱度比對(duì)風(fēng)帆空氣動(dòng)力特性的影響

保持內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C為0.05不變，改變外拱拱度比f(wàn)/C分別為0.10,0.20,0.30,0.40,0.50；保持內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C為0.15不變，改變外拱拱度比f(wàn)/C分別為0.20,0.30,0.40,0.50;保持內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C為0.25不變，改變外拱拱度比f(wàn)/C分別為0.30,0.35,0.40,0.45,0.50；保持內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C為0.35不變，改變外拱拱度比f(wàn)/C分別為0.40,0.45,0.50。對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行仿真，計(jì)算從0°攻角到臨界失速攻角的升阻力系數(shù)。對(duì)仿真得到的相同攻角下的升阻力系數(shù)進(jìn)行整理,結(jié)果見(jiàn)圖4。

2.2.2內(nèi)拱拱度比對(duì)風(fēng)帆空氣動(dòng)力特性的影響

保持外拱拱度比f(wàn)/C為0.50不變，改變內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C分別為0.05,0.15,0.25,0.35,0.45；保持外拱拱度比f(wàn)/C為0.40不變，改變內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C分別為0.05,0.15,0.25,0.35;保持外拱拱度比f(wàn)/C為0.30不變，改變內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C分別為0.05,0.10,0.15,0.20,0.25；保持外拱拱度比f(wàn)/C為0.20不變，改變內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C分別為0.05,0.10,0.15。對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行仿真，計(jì)算從0°攻角到臨界失速攻角的升阻力系數(shù)。對(duì)仿真得到的相同攻角下的升阻力系數(shù)進(jìn)行整理,結(jié)果見(jiàn)圖5。

a) f′/C為0.05時(shí)的CL-CD關(guān)系

b) f′/C為0.15時(shí)的CL-CD關(guān)系

c) f′/C為0.25時(shí)的CL-CD關(guān)系

d)f′/C為0.35時(shí)的CL-CD關(guān)系

圖4 不同外拱拱度比下的CL-CD關(guān)系

a) f/C為0.50時(shí)的CL-CD關(guān)系

b)f/C為0.40時(shí)的CL-CD關(guān)系

c) f/C為0.20時(shí)的CL-CD關(guān)系

d)f/C為0.30時(shí)的CL-CD關(guān)系

圖5 不同內(nèi)拱拱度比下的CL-CD關(guān)系

2.3結(jié)果分析

由圖4可知：當(dāng)內(nèi)拱拱度比不變時(shí)，不同外拱拱度比的最大升力系數(shù)相近，相對(duì)誤差均在5%以內(nèi);阻力系數(shù)在小攻角時(shí),外拱拱度比大的數(shù)值較大，但其增長(zhǎng)速度隨外拱拱度比的增大而減?。慌R界失速攻角隨外拱拱度比的增大而增大，即在小攻角時(shí)外拱拱度比大的升阻比較小，在大攻角時(shí)其升阻比較大。

由圖5可知：當(dāng)外拱拱度比不變時(shí)，不同內(nèi)拱拱度比的各風(fēng)帆的臨界失速攻角相近，相對(duì)誤差均在6%以內(nèi)；最大升力系數(shù)均隨內(nèi)拱拱度的增大而增大，但當(dāng)內(nèi)拱拱度比增大到0.35時(shí)增速變緩，最大值保持在2.3左右；相同攻角下內(nèi)拱拱度比小的阻力系數(shù)大，但增長(zhǎng)速度基本一樣。

3 最大推力系數(shù)和橫向力系數(shù)

由于風(fēng)帆對(duì)船的作用力最終要轉(zhuǎn)化為船舶航向上的推力，因此按照?qǐng)D1中尋找最大推力系數(shù)的方法對(duì)圖4和圖5進(jìn)行分解，求解不同相對(duì)風(fēng)向角下的最大推力系數(shù)及此時(shí)對(duì)應(yīng)的橫向力系數(shù)(見(jiàn)圖6和圖7)。圖6中，內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C分別保持為0.05,0.15,0.25,0.35不變；圖7中，外拱拱度比f(wàn)/C分別保持0.50,0.40,0.30,0.20不變。

由圖6可知：當(dāng)內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C不變時(shí)，不同外拱拱度比f(wàn)/C對(duì)應(yīng)的Cxmax的增長(zhǎng)速度基本一樣，均在θ為100°左右時(shí)達(dá)到最大且相等；橫向力系數(shù)隨外拱拱度比f(wàn)/C的增大而增大，使用風(fēng)帆的最佳風(fēng)向角度范圍為60°～140°。

由圖7可知：當(dāng)外拱拱度比f(wàn)/C不變時(shí)，隨內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C增大,Cxmax的增長(zhǎng)速度增大，均在θ=100°左右時(shí)達(dá)到最大；橫向力系數(shù)在最佳θ角(60°～140°)范圍內(nèi)[8]基本不隨內(nèi)拱拱度比f(wàn)′/C的變化而變化。為保證風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需有一定的厚度比[9]，綜合最大推力系數(shù)結(jié)論,最終選定f/C-f′/C為0.50～0.35為優(yōu)化后模型的參數(shù)。

4 風(fēng)洞試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取外拱拱度比和內(nèi)拱拱度比分別為0.50及0.35，制作與仿真1∶2大小的實(shí)物模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)(見(jiàn)圖8)。風(fēng)洞試驗(yàn)在大連理工大學(xué)的DUT-1風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)，風(fēng)洞橫截面大小為2.5 m×3 m，長(zhǎng)18 m，風(fēng)速在2～52 m/s連續(xù)可調(diào)，收縮比為3.52,紊流度<1%。此外,為滿足運(yùn)動(dòng)相似，取風(fēng)洞風(fēng)速與仿真風(fēng)速為2∶1，即試驗(yàn)風(fēng)速取20 m/s，密度為大氣密度,確保主要的相似準(zhǔn)則[10]。

a) f′/C為0.05時(shí)Cxmax,Cy與θ關(guān)系

b) f′/C為0.15時(shí)Cxmax,Cy與θ關(guān)系

c) f′/C為0.25時(shí)Cxmax,Cy與θ關(guān)系

d) f′/C為0.35時(shí)Cxmax,Cy與θ關(guān)系

a) f/C為0.5時(shí)Cxmax,Cy與θ關(guān)系

b) f/C為0.40時(shí)Cxmax,Cy與θ關(guān)系

c) f/C為0.30時(shí)Cxmax,Cy與θ關(guān)系

d) f/C為0.20時(shí)Cxmax,Cy與θ關(guān)系

圖8 風(fēng)洞試驗(yàn)

圖9 CL-CD關(guān)系

圖10 Cxmax,Cy與θ關(guān)系

將試驗(yàn)得到的相同攻角下升阻力系數(shù)之間的關(guān)系與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖9。運(yùn)用圖1中尋找最大推力系數(shù)的方法得到Cxmax,Cy與θ的關(guān)系(見(jiàn)圖10)。

由圖9可知：數(shù)值計(jì)算升力、阻力系數(shù)曲線與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果總體一致，誤差在可控范圍內(nèi)，證明仿真優(yōu)化過(guò)程基本準(zhǔn)確。優(yōu)化后的雙圓弧型風(fēng)帆的最大升力系數(shù)比普通拱度比為0.16的單圓弧風(fēng)帆提高50%左右。雖然阻力系數(shù)也相應(yīng)增加，但當(dāng)相對(duì)風(fēng)向角θ>90°時(shí)，阻力對(duì)風(fēng)帆來(lái)說(shuō)也已變成推力，從該點(diǎn)出發(fā)，要求風(fēng)帆的阻力大[11]。

圖10進(jìn)一步表明仿真誤差較小，同時(shí)可看出由于優(yōu)化后的風(fēng)帆阻力系數(shù)增大，在逆風(fēng)θ<40°時(shí)最大推力系數(shù)減小，但當(dāng)θ>40°時(shí),最大推力系數(shù)提高很多，優(yōu)化后的風(fēng)帆推力性能明顯優(yōu)于優(yōu)化前的風(fēng)帆。從圖10中還可看出,Cxmax的最大值出現(xiàn)在θ=100°左右時(shí)，此時(shí)試驗(yàn)最大推力系數(shù)在2.5左右，而優(yōu)化前則在1.5左右,提高約67%。

5 結(jié)束語(yǔ)

雙圓弧型風(fēng)帆的內(nèi)拱度比決定其最大升力系數(shù)的大小、阻力系數(shù)的大小和最大推力系數(shù)的增長(zhǎng)速度，內(nèi)拱拱度比越大,最大升力系數(shù)越大,相同攻角下的阻力系數(shù)越大,最大推力系數(shù)增長(zhǎng)速度也越大；雙圓弧型風(fēng)帆的外拱拱度比決定其臨界失速攻角的大小、阻力系數(shù)的增長(zhǎng)速度和橫向力系數(shù)的大小，外拱拱度比越大,臨界失速攻角越大,阻力系數(shù)增長(zhǎng)速度減小,相同相對(duì)風(fēng)向角下的橫向力系數(shù)越小。

優(yōu)化后的雙圓弧型風(fēng)帆風(fēng)洞試驗(yàn)最大升力系數(shù)較普通單圓弧型風(fēng)帆(拱度比為0.16)提高50%左右，最大推力系數(shù)在相對(duì)風(fēng)向角為100°時(shí)較其提高67%；使用該風(fēng)帆的最佳相對(duì)風(fēng)向角范圍為60°～140°。

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AerodynamicCharacteristicsOptimizationofArched-SailwithCFD

(1. Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. China Classification Society Chongqing Branch, Chongqing 401121, China; 3. Environmental Fluid Dynamics Laboratory, University of Texas at Austin, Texas 78741, USA)

U664.31

A

2016-01-24

工信部高技術(shù)船舶科研計(jì)劃項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝(2014)508號(hào))

黃連忠(1969—)，男，湖北武漢人,教授，碩士生導(dǎo)師，博士，從事現(xiàn)代輪機(jī)管理工程研究。E-mail:huanglianzhong@vip.sina.com

1000-4653(2016)02-0101-05