復(fù)雜外形ROV的快速性數(shù)值計(jì)算?

劉俊新 徐 陽(yáng)

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

隨著任務(wù)的復(fù)雜和多樣化，復(fù)雜ROV得到了大力發(fā)展。由于外形復(fù)雜多樣，其快速性的精確計(jì)算是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

目前可得到ROV阻力的方法主要有工程估算法、風(fēng)洞試驗(yàn)法和數(shù)值計(jì)算法。工程估算法形式簡(jiǎn)單，難以對(duì)復(fù)雜外形ROV的流體動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，精度有限；風(fēng)洞試驗(yàn)法周期長(zhǎng)、耗資大，往往不能滿足方案設(shè)計(jì)階段的進(jìn)度要求；數(shù)值計(jì)算法發(fā)展日趨成熟，特別是一些商用計(jì)算流體力學(xué)軟件已越來越廣泛地應(yīng)用于ROV設(shè)計(jì)之中，在很多情況下，數(shù)值計(jì)算已達(dá)到與風(fēng)洞試驗(yàn)相當(dāng)?shù)木取?/p>

本文利用SSTk-ω湍流模型對(duì)復(fù)雜外形ROV的阻力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，取得了較好的結(jié)果。

2 控制方程與算法

2.1 連續(xù)方程

式中：ρ表示密度；U表示速度；t為時(shí)間。

μt和αl分別表示流體動(dòng)力粘度和水相的體積分?jǐn)?shù)。

2.2 湍流模型

若分別以?1、?2、?3表示k-ω模型、k-ε模型和SST湍流模型中的函數(shù)關(guān)系，則SST湍流模型可表示為

SST湍流模型考慮到湍流剪切應(yīng)力的輸運(yùn)，不但能夠?qū)Ω鞣N來流進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，還能在各種壓力梯度下精確模擬分離現(xiàn)象，其綜合了近壁面k-ω模型的穩(wěn)定性及邊界層外部k-ε模型獨(dú)立性的優(yōu)點(diǎn)，它的計(jì)算模擬性能優(yōu)于后兩者。各系數(shù)取值為β'=0.09，α1=5/9，β1=0.075，σk1=2，σω1=2，α2=0.44，β2=0.0828，σk2=1，σω2=1.168，各個(gè)數(shù)據(jù)的取值取自參考文獻(xiàn)［1～2］。

3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

3.1 模型

圖1給出了ROV實(shí)物模型圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，ROV附體較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

3.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格的好壞直接影響到數(shù)值計(jì)算的可行性、收斂性以及計(jì)算精度。前處理軟件ICEM CFD是一款成熟的網(wǎng)格劃分軟件，它向用戶提供業(yè)界領(lǐng)先的高質(zhì)量網(wǎng)格技術(shù)，其強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能可以滿足CFD仿真計(jì)算的嚴(yán)格要求。

本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)尾流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行局部加密，同時(shí)考慮流體粘性作用，加入邊界層網(wǎng)格，并利用與湍流強(qiáng)度相關(guān)的Yplus對(duì)所建模型進(jìn)行考核。ROV流場(chǎng)網(wǎng)格圖及邊界層網(wǎng)格如圖2和3所示，數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格量為978萬。

圖2 流場(chǎng)網(wǎng)格

圖3 邊界層網(wǎng)格

3.3 計(jì)算工況

本文在攻角-90°～90°和側(cè)滑角-90°～90°下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3.4 計(jì)算邊界條件設(shè)置

1）流體介質(zhì)：水；湍流模型：SST；

2）速度入口：4kn和2kn；壓力出口：0Pa；

3）計(jì)算域壁面及ROV壁面：無滑移壁面。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

ROV流體動(dòng)力變化曲線如圖4～圖11所示。

4.1 攻角及側(cè)滑下仿真結(jié)果

圖4和圖5給出了在4kn和2kn下，數(shù)值仿真結(jié)果，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，隨著攻角的增大，ROV所受到的阻力都不斷增大，整個(gè)曲線呈拋物線狀，由于ROV前后不對(duì)稱導(dǎo)致阻力曲線也不對(duì)稱。

圖6和圖7給出了在4kn和2kn下，數(shù)值仿真結(jié)果，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，隨著攻角的增大，ROV所受到的阻力都不斷增大，整個(gè)曲線呈拋物線狀。由于ROV左右稱，所以阻力曲線關(guān)于0°側(cè)滑角對(duì)稱。

圖4 ROV阻力隨攻角的變化（V=4kn）

圖5 ROV阻力隨攻角的變化（V=2kn）

圖6 ROV阻力隨側(cè)滑角的變化（V=2m/s）

圖7 ROV阻力隨側(cè)滑角的變化（V=1m/s）

4.2 攻角及側(cè)滑角的耦合作用下阻力的變化分析

圖8 給出了ROV前進(jìn)時(shí)，在不同攻角、側(cè)滑角耦合作用下的阻力系數(shù)曲線，變化曲線呈拋物線狀，由于外形復(fù)雜，拋物線出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。

圖8 ROV阻力隨攻角及側(cè)滑角的變化曲線（4kn）

圖9 給出了ROV后退時(shí)，在不同攻角、側(cè)滑角耦合作用下的阻力系數(shù)曲線，變化曲線呈拋物線狀，由于外形復(fù)雜，拋物線出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。

圖9 ROV阻力隨攻角及側(cè)滑角的變化曲線（-4kn）

4.3 流場(chǎng)壓力變化及分析

由圖10、圖11和圖12可以看出，ROV所多個(gè)位置出現(xiàn)高壓區(qū)，導(dǎo)致ROV阻力有了很大變化，使得快速性降低。

圖10 攻角0°時(shí)的壓力云圖

圖11 攻角-10°時(shí)壓力云圖

圖12 攻角-10°時(shí)壓力云圖

5 結(jié)語

采用SST湍流模型，建立了復(fù)雜外形ROV的數(shù)值水洞模型，對(duì)其阻力特性進(jìn)行計(jì)算，在攻角及側(cè)滑角變化時(shí)，阻力特性呈拋物線狀，ROV所受流場(chǎng)壓力主要集中在正面和底部附體上，在此處流場(chǎng)壓力及速度變化復(fù)雜，導(dǎo)致ROV阻力發(fā)生了很大變化，影響其快速性。