У статті запропоновано метод для аналізу повного опору руху судна на швидкостях ходу, відповідних числу Фруда по довжині від 0,14 до 0,41. Основна ідея методу полягає в поділі корпусу судна на складові поверхні. Даний підхід дозволяє розрахувати розподіл сили опору по довжині судна. На підставі отриманих даних можуть бути обрані зони для коригування обводів, а також може бути виконано більш якісне порівняння декількох варіантів корпусу. Перед прикладом застосування запропонованого методу були виконані постановка задачі розрахунку опору в програмному комплексі OpenFOAM, валідація розрахункової схеми і перевірка гратчастої збіжності. Для виконання розрахунків використовувалися стандартний вирішувач interDyMFoam і модель корпусу DTMB 5415. Для реалізації запропонованого методу корпус DTMB 5415 був розділений на 22 поверхні по довжині судна. За результатами розрахунків були отримані криві розподілу сили опору по довжині корпусу для розглянутих швидкостей ходу. За результатами аналізу кривих були розроблені два варіанти обводів носовій частині корпусу DTMB 5415: Без бульба і з обтічним бульбом. Обидва варіанти обводів мають менший опором на всіх швидкостях ходу в порівнянні з базовим корпусом DTMB 5415. За результатами аналізу кривих розподілу сили опору трьох корпусів отримано, що в районі середньої і кормової частин корпусу (~ 3/4 довжини судна) розподілена сила опору практично не залежить від швидкості ходу і обводів носовій частині. Носова край при цьому грає першорядну роль в формуванні значенні повного опору корпусу.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Овчинников К.Д.


Analysis of total resistance for different ship speeds

The paper shows method for analyzing total resistance of ship which calculated on Froude numbers from 0.14 to 0.41. To this method the hull surface divides into its component surfaces to the ship length. This approach allows to calculate the distribution of resistance forces along the ship length. Based on this data hull zones for correcting can be selected, and a better comparison of several hull can be made. First of all mathematical scheme of total resistance calculating develops and validates in the OpenFOAM software. The standard solver interDyMFoam and DTMB 5415 hull data uses. Three grids uses for mesh convergence. To implement the proposed method the DTMB 5415 hull divides into 22 surfaces along the length. According to the results of numerical simulations the curves of distribution of resistance force along the hull length for the different ship speeds obtain. Due to analysis of curves two versions of hull develops based on DTMB 5415 hull: without bulb and with streamlined bulb. Both hulls have lower resistance at all speeds compared to the DTMB 5415 base hull. Due to analysis of resistance force distribution curves of new hulls distributed resistance force on middle and stern parts of hull does not depend on ship speed and stem part lines. Stem part of hull has the most important influence on total resistance.


Область наук:
  • фізика
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Праці Інституту системного програмування РАН

    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ ПОВНОГО ОПОРУ КОРПУСУ СУДНА НА РІЗНИХ швидкість ходу'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ ПОВНОГО ОПОРУ КОРПУСУ СУДНА НА РІЗНИХ швидкість ходу»

    ?DOI: 10.15514 / ISPRAS-2019-31 (6) -12

    Аналіз повного опору корпусу судна на різних швидкостях ходу

    К.Д. Овчинников, ORCID: 0000-0001-8753-6243 < Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.>

    Санкт-Петербурзький державний морський технічний університет, 190121, Санкт-Петербург, вул. Лоцманська, 3

    Анотація. У статті запропоновано метод для аналізу повного опору руху судна на швидкостях ходу, відповідних числу Фруда по довжині від 0,14 до 0,41. Основна ідея методу полягає в поділі корпусу судна на складові поверхні. Даний підхід дозволяє розрахувати розподіл сили опору по довжині судна. На підставі отриманих даних можуть бути обрані зони для коригування обводів, а також може бути виконано більш якісне порівняння декількох варіантів корпусу. Перед прикладом застосування запропонованого методу були виконані постановка задачі розрахунку опору в програмному комплексі OpenFOAM, валідація розрахункової схеми і перевірка гратчастої збіжності. Для виконання розрахунків використовувалися стандартний вирішувач interDyMFoam і модель корпусу DTMB 5415. Для реалізації запропонованого методу корпус DTMB 5415 був розділений на 22 поверхні по довжині судна. За результатами розрахунків були отримані криві розподілу сили опору по довжині корпусу для розглянутих швидкостей ходу. За результатами аналізу кривих були розроблені два варіанти обводів носовій частині корпусу DTMB 5415: без бульба і з обтічним бульбом. Обидва варіанти обводів володіють меншим опором на всіх швидкостях ходу в порівнянні з базовим корпусом DTMB 5415. За результатами аналізу кривих розподілу сили опору трьох корпусів отримано, що в районі середньої і кормової частин корпусу (~ 3/4 довжини судна) розподілена сила опору практично не залежить від швидкості ходу і обводів носовій частині. Носова край при цьому грає першорядну роль в формуванні значенні повного опору корпусу.

    Ключові слова: чисельне моделювання; експеримент; опір; DTMB 5415; OpenFOAM

    Для цитування: Овчинников К.Д. Аналіз повного опору корпусу судна на різних швидкостях ходу. Праці ІСП РАН, тому 31, вип. 6, 2019, сс. 195-202. DOI: 10.15514 / ISPRAS-2019-31 (6) -12

    Analysis of total resistance for different ship speeds

    K.D. Ovchinnikov ORCID: 0000-0001-8753-6243 <Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.>

    Saint-Petersburg State Marine Technical University, 3, Lotsmanskaya st., Saint-Petersburg, 190121, Russia

    Abstract. The paper shows method for analyzing total resistance of ship which calculated on Froude numbers from 0.14 to 0.41. To this method the hull surface divides into its component surfaces to the ship length. This approach allows to calculate the distribution of resistance forces along the ship length. Based on this data hull zones for correcting can be selected, and a better comparison of several hull can be made. First of all mathematical scheme of total resistance calculating develops and validates in the OpenFOAM software. The standard solver interDyMFoam and DTMB 5415 hull data uses. Three grids uses for mesh convergence. To implement the proposed method the DTMB 5415 hull divides into 22 surfaces along the length. According to the results of numerical simulations the curves of distribution of resistance force

    195

    along the hull length for the different ship speeds obtain. Due to analysis of curves two versions of hull develops based on DTMB 5415 hull: without bulb and with streamlined bulb. Both hulls have lower resistance at all speeds compared to the DTMB 5415 base hull. Due to analysis of resistance force distribution curves of new hulls distributed resistance force on middle and stern parts of hull does not depend on ship speed and stem part lines. Stem part of hull has the most important influence on total resistance.

    Keywords: numerical simulation; CFD; experiment; resistance; DTMB 5415; OpenFOAM

    For citation: Ovchinnikov K.D. Analysis of total resistance for different ship speeds. Trudy ISP RAN / Proc. ISP RAS, vol. 31, issue 6, 2019. pp. 195-202 (in Russian). DOI: 10.15514 / ISPRAS-2019-31 (6) -12

    1. Введення

    При створенні нових об'єктів морської техніки особливу увагу приділяють опору руху. Пов'язано це в першу чергу з тим, що на подолання опору йде найбільша частина енергії, що виробляється енергетичною установкою.

    В рамках вирішення проектної задачі намагаються вибрати таку форму корпусу, щоб опір руху було мінімальним при задовільних значеннях інших морехідних і експлуатаційних характеристик.

    Застосування програмних продуктів обчислювальної гідромеханіки набуває все більшого поширення при проектуванні судів. Це пов'язано з відносною дешевизною відпрацювання різних варіантів форми корпусу в порівнянні з експериментальними дослідженнями.

    У даній роботі запропонований і розглянуто застосування методу для аналізу повного опору судна, шляхом поділу корпусу по довжині на складові поверхні. Чисельне моделювання реалізується в програмному комплексі з відкритим кодом OpenFOAM [1].

    2. Математична постановка задачі в програмному комплексі OpenFOAM

    Рівняння Нав'є-Стокса для нестисливої ​​рідини визначається як система з рівнянь збереження імпульсу і рівняння нерозривності.

    При високих числах Рейнольдса обчислення прямим чисельним моделюванням супроводжуються або великими часовими витратами, або великими обчислювальними потужностями, тому для моделювання турбулентних потоків зазвичай використовуються рівняння Нав'є-Стокса осредненние за часом, звані рівняннями Рейнольдса. Ці рівняння отримані з рівнянь Нав'є-Стокса шляхом розбиття полів швидкості тиску на середнє значення і флуктуації [2]. Для замикання системи рівнянь використовується двопараметричного модель турбулентності k-ю SST [3].

    Дискретизація фундаментальних рівнянь в програмному комплексі OpenFOAM виконується з використанням схеми контрольного обсягу, вільна поверхня моделюється за допомогою модифікованого методу об'єму рідини. Рух твердого тіла, що володіє шістьма ступенями свободи, може бути описано динамічними рівняннями Ейлера [4]. Відповідно до описаної схеми вирішення поставленого завдання обраний стандартний вирішувач interDyMFoam. Для створення розрахункової області використовуються внутрішні утиліти пакета OpenFOAM, такі як topoSet, refineMesh і snappyHexMesh. Розміри розрахункової області визначені відповідно до [5].

    3. Затвердження розрахункової схеми

    Для виконання контрольних розрахунків обраний корпус DTMB 5415 [6, 7, 8]. Характеристики корпусу DTMB5415: довжина між перпендикулярами Lpp = 3,048 м, ширина B = 0,409 м, осадка T = 0,132 м, водотоннажність D = 83,5 кг, аппликата центру ваги zg = 0,163 м, момент інерції відносно поздовжньої осі J44 = 1,92 кгм2, момент інерції щодо поперечної осі J55 = 48,5 кгм2.

    При виконанні валідації слід також провести перевірку гратчастої збіжності. Для цього було розроблено кілька розрахункових областей з осями симетрії по діаметральної площині корпусу судна з наступними характеристиками:

    • «груба» сітка: кількість осередків розрахункової області ~ 936 000, кількість граней на поверхні корпусу ~ 13400, максимальний коефіцієнт пропорційності ~ 80, максимальний коефіцієнт закрученности осередку ~ 3,2, середнє значення неортогональності ~ 4,7;

    • «середня» сітка: кількість осередків розрахункової області -2867000, кількість граней на поверхні корпусу -25000, максимальний коефіцієнт пропорційності -53, максимальний коефіцієнт закрученности осередку -2,7, середнє значення неортогональності -3,4;

    • «хороша» сітка: кількість осередків розрахункової області -7458000, кількість граней на поверхні корпусу -42000, максимальний коефіцієнт пропорційності -40, максимальний коефіцієнт закрученности осередку -2,4, середнє значення неортогональності -2,7.

    Розрахунки виконувалися для трьох швидкостей ходу:

    • при швидкості ходу, що відповідає числу Фруда Fr = 0,14; при цій швидкості ходу переважний вплив в повному опорі має опір тертя;

    • при швидкості ходу, що відповідає числу Фруда Fr = 0,28; при цій швидкості ходу хвильовий опір починає робити все більшу важливу роль в повному опорі, виникає перший горб хвильового опору;

    • при швидкості ходу, що відповідає числу Фруда Fr = 0,41; при цій швидкості ходу хвильовий опір відіграє переважну роль в повному опорі, може виникати основний горб хвильового опору [9].

    Чисельне моделювання виконувалося на обчислювальному кластері ФГБОУ ВО «Санкт-Петербурзький державний морський технічний університет». Кластер включає в себе вісім вузлів по 20 ядер. Один розрахунок виконувався на одному вузлі. Час чисельного моделювання було фіксоване і дорівнювало 20 секундам. За цей час значення опору вирівнювалися, так само як і волнообразованіе навколо корпусу моделі.

    Порівняння результатів чисельного моделювання обтікання моделей в пакеті OpenFOAM і результатів експериментального дослідження представлено в табл. 1. У табл. 1 наведені такі умовні позначення: Fr - число Фруда по довжині; Rt-повне опір, Н; ? - абсолютна похибка, Н; Z - відносна похибка,%; t - час розрахунку, ч.

    Табл. 1. Опір корпусу DTMB 5415 для різних розрахункових областей Table 1. DTMB 5415 resistance for different grids

    Експеримент «Груба» сітка «Середня» сітка «Хороша» сітка

    Fr 0,14 0,28 0,41 0,14 0,28 0,41 0,14 0,28 0,41 0,14 0,28 0,41

    Rt, N 1,79 7,43 23,36 1,57 6,93 21,90 1,68 7,58 23,48 1,69 7,70 23,16

    5, N - - - -0,22 -0,50 -1,46 -0,11 0,15 0,12 -0,10 0,27 -0,20

    z - - - -12% -7% -6% -6% 2% 1% -6% 4% -1%

    t, h - - - 2,6 4,0 6,0 10,0 15,9 31,0 23,0 57,9 146,7

    На основі аналізу даних, представлених в табл. 1, зроблено висновок про те, що задовільні результати виходять при розрахунках на «середній» і «хорошою» сітках. При цьому в проектній практиці рекомендується використання «середніх» сіток, оскільки час виконання чисельного моделювання при цьому істотно менше, ніж при використанні «хорошою» сітки.

    Тут також слід зазначити один факт: при малих числах Фруда, коли основну роль в повному опорі грає опір тертя, результати чисельного моделювання мають досить високі значення відносної похибки (до 6%). При збільшенні швидкості ходу, коли хвильовий опір починає відігравати велику роль, значення відносної похибки падають.

    4. Опис методу аналізу повного опору корпусу

    При експериментальному дослідженні можуть бути отримані тільки повне опір для всього корпусу. Чисельне моделювання також дозволяє отримати повне опір, чинне на тіло. Однак при чисельному моделюванні є можливість отримати розподіл сили опору по довжині судна - кривої розподілу сили опору.

    При наявності кривої розподілу сили опору по довжині корпусу судна є можливість для більш точного аналізу характеристик обтікання тіла, а при порівнянні декількох корпусів - більш точного завдання функції оптимуму. Для одержання кривої розподілу опору по довжині судна корпус повинен бути заданий як набір поверхонь, отриманих шляхом поділу по довжині єдиного замкнутого тіла на складові.

    Еталонний розрахунок кривої розподілу сили опору по довжині корпусу для моделі DTMB 5415 виконаний при представлених раніше швидкостях ходу. Моделювання виконувалося на «хорошою» сітці.

    При підготовці чисельного моделювання корпус був розділений на поверхні по 21 теоретичному шпангоуту - підсумковий корпус мав 22 поверхні (рис. 1).

    пігпе

    Про 1 I •> I Я Л щ. Я 7 Й а АЛЕ 15 1Ш і 1Ш 17 1Й 10 *>п I

    тЬег

    Мал. 1. Корпус DTMB сягала 5415, розділений на поверхні Fig. 1. DTMB 5415 hull divided on surfaces

    За результатами чисельного моделювання отримані криві розподілу сили опору по довжині корпусу при різних швидкостях ходу, представлені на рис. 2. Якщо скласти всі значення, представлені на рис. 2 для обраної швидкості ходу, вийдуть значення повного опору, представлені в табл. 1.

    ь

    1 *. i. |. | Surface number

    1 2 ** 1 * *. ' . 1 + 1 | 2

    I

    * Fr = 0_14 | Fr-0.23 i Fr-0.41

    Мал. 2. Розподіл сили опору по довжині корпусу DTMB 5415 Fig. 2. Distribution of resistance force on length ofDTMB 5415 hull

    На основі аналізу даних, представлених на рис. 2, зроблені наступні висновки:

    • крива розподілу сили опору по довжині корпусу має як позитивні, так і негативні значення, що пов'язано безпосередньо з формою корпусу;

    • найбільші значення сили опору виникають на носовій частині бульба (поверхня № 1), і вони тим більше, чим вище швидкість ходу;

    • через обводів бульба спостерігається значний стрибок сили опору в районі кормової частини бульба (поверхню № 2);

    • від поверхні № 6 до самої корми (~ 3/4 довжини судна) значення розподіленої сили опору мало залежать від швидкості ходу, що може говорити про те, що основну роль у збільшенні повного опору при підвищенні швидкості ходу грає носова край;

    • для зменшення повного опору корпусу судна необхідно провести коригування обводів носовій частині, зокрема - бульба.

    5. Аналіз кривої розподілу сили опору для різних варіантів носовій частині

    На базі корпусу DTMB 5415 (далі - корпус 1) були розроблені два варіанти нових обводів носовій частині: корпус 2 - без бульба, і корпус 3 - з обтічним бульбом.

    Всі три розглянутих корпусу представлені на рис. 3.

    Розрахунки для корпусів 2 і 3 виконувалися на «середній» сітці. Оскільки обводи корпусів змінилися незначно, характеристики розрахункових областей також змінилися незначно.

    У табл. 2 представлені результати розрахунків повного опору розглянутих корпусів при різних швидкостях ходу.

    Табл. 2. Повне опору для різних корпусів Table 2. Total resistance for different hulls

    Число Фруда по довжині Fr Корпус 1 Корпус 2 Корпус 3

    0,14 1,68 1,19 1,47

    0,28 7,70 6,14 6,73

    0,41 23,16 21,27 21,30

    Мал. 3. Корпуси, розділені на поверхні: a - Корпус 1 (DTMB 5415), b - Корпус 2,

    c - Корпус 3

    Fig. 3. Hulls divided on surfaces: a - Hull 1 (DTMB 5415), b - Hull 2, c - Hull 3

    У табл. 2 показано, що найменший опір при всіх швидкостях ходу має корпус 2 (без бульба). Однак тут слід зазначити одну проектну деталь: корпус DTMB 5415 має обводи військового корабля, якому бульб необхідний для розміщення гідроакустичної станції. Корпус 3 має бульб, місткість якого не менше місткості бульба корпусу 1, а опір при всіх розглянутих швидкостях ходу менше.

    В., N

    15

    10

    -10

    |

    • * *, Surface number

    < З i I ".1 i 1 • •. 1 е S» 2

    * •

    Мал. 4. Криві розподілу сили опору по довжині корпусу при швидкості ходу, що відповідає числу Фруда по довжині Fr = 0,14 Fig. 4. Distribution of resistance force on hull surfaces for Froude number Fr = 0,14

    R, N '

    IS

    10

    i

    | *. t. Surface numtei

    1 2 * | 1 + 1 '. 1 S »11. 1

    I Hull 2 ​​* Hull 3

    Мал. 5. Криві розподілу сили опору по довжині корпусу при швидкості ходу, що відповідає числу Фруда по довжині Fr = 0,28 Fig. 5. Distribution of resistance force on hull surfaces for Froude number Fr = 0,28

    t | ,

    | • | .. Surfa ci number

    »1 |. 2 * 1 * * 1 | 1 1, 2

    * Hull 1 | Hull 2 ​​fr Mull 3

    Мал. 6. Криві розподілу сили опору по довжині корпусу при швидкості ходу, що відповідає числу Фруда по довжині Fr = 0,41 Fig. 6. Distribution of resistance force on hull surfaces for Froude number Fr = 0,41

    На основі аналізу даних, представлених на рис. 4 - 6, зроблені наступні висновки:

    • при відсутності бульба крива розподілу сили опору по довжині корпусу не має різких стрибків, що сприятливо впливає на значення повного опору;

    • зміна обводів бульба призвело до перерозподілу сили опору, що сприятливо позначилося на значенні повного опору;

    • незважаючи на зміну обводів бульба, негативні значення на поверхні № 3 практично не змінилися;

    • від поверхні № 6 до самої корми (~ 3/4 довжини судна) значення розподіленої сили опору не залежать від форми носовій частині.

    6. Висновок

    За результатами роботи можна зробити наступні висновки.

    Програмний комплекс OpenFOAM рекомендується для розрахунку опору руху судна з використанням як мінімум «середніх» сіток. При цьому похибка розрахунку падає зі збільшенням швидкості ходу, що пов'язано зі зменшенням впливу опору тертя на значення повного опору.

    Крива розподілу сили опору по довжині судна має яскраво виражені скачки в носовій частині судна при наявності бульба. При цьому, починаючи з середньої частини корпусу і закінчуючи кормою (~ 3/4 довжини судна), значення розподіленої сили опору практично не залежать від швидкості ходу.

    Зміни обводів носовій частині судна не впливають на значення розподіленої сили опору в середній і кормовій частинах корпусу (~ 3/4 довжини судна). Носова край грає першорядну роль у формуванні значення повного опору корпусу.

    Подальші напрямки роботи включають, розробку чисельної схеми для оцінки значень розподіленої сили опору носовій частині (або іншій частині) судна при істотному зменшенню витрат часу для вирішення задачі оптимізації форми корпуса з точки зору ходових якостей, а також розробку методу оцінки впливу різних складових опору (опору тертя,

    опорі форми і хвильового опору) на значення повного опору корпусу.

    Список літератури / References

    [1] The OpenFOAM Foundation. Available at: https://openfoam.org/, accessed 01.09.2019.

    [2] Henry Peter Piehl. Ship Roll Damping Analysis. Von der Fakultat fur Ingenieurswissenschaften, Abteilung Maschinenbau und Verfahrenstechnik, der Universitat Duisburg-Essen zur Erlangung des akademischen Grades eines. Doktors der Ingenieurswissenschaften Dr.-Ing. April 2016.

    [3] Menter, F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, vol. 32, no. 8, 1994, pp. 1598-1605.

    [4] Овчинников К.Д., Тряскін Н.В., Ткаченко І.В. Чисельне моделювання качки напівзанурювальної платформи на регулярному хвилюванні. Морські інтелектуальні технології, № 2, том 1 2015 року, стор. 14-18 / Ovchinnikov K.D., Tryaskin N.V., Tkachenko I.V. Numerical simulation of motions of semisubmersible rig in regular waves. Marine intellectual technologies, № 2, vol. 1, 2015-го, pp. 14-18 (in Russian).

    [5] Ovchinnikov K.D. Numerical simulation of motions of ship with moonpool in head waves. Trudy ISP RAN / Proc. ISP RAS, vol. 30, issue 5, 2018. pp. 235-248. DOI: 10.15514 / ISPRAS-2016-30 (5) -14.

    [6] Gui L., Longo J., and Stern F. Biases of PIV Measurement of Turbulent Flow and the Masked Correlation-Based Interrogation. Experiments in Fluids, vol. 30, 2001., pp. 27-35.

    [7] Gui L., Longo J., and Stern F. Towing Tank PIV Measurement System, Data and Uncertainty Assessment for DTMB Model 5512. Experiments in Fluids, vol. 31, 2001., pp. 336-346.

    [8] Longo J. and Stern F. Uncertainty Assessment for Towing Tank Tests with Example for Surface Combatant DTMB Model 5415. Journal of Ship Research, vol. 49, no. 1, 2005, pg. 55-68.

    [9] Довідник з теорії корабля: в трьох томах. Том 1. Гідромеханіка. Опір руху суден. Суднові рушії. Під ред. Я І. Войткунского. Л., Суднобудування, 1985, 785 стор. / Ship theory handbook. Ed. by Y.I. Voitkounski. In 3 volumes. Vol. 1. Hydromechanics, Resistance of Ship, Ship Propulsion Devices. Leningrad. Sudostroenie, 1985. 768 p. (In Russian).

    Інформація про авторів / Information about authors

    Кирило Дмитрович ОВЧИННИКОВ - кандидат технічних наук, старший викладач кафедри проектування суден Санкт-Петербурзького державного морського технічного університету з 2015 року. Сфера наукових інтересів: проектування судів, теорія корабля, методи обчислювальної гідродинаміки.

    Kirill D. OVCHINNIKOV - PhD, senior lecturer of ship design department in Saint-Petersburg State Marine Technical University since 2015. Research interests: ship design, ship theory, computation fluid mechanics.


    Ключові слова: ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ / ЕКСПЕРИМЕНТ / ОПІР / NUMERICAL SIMULATION / CFD / EXPERIMENT / RESISTANCE / DTMB 5415 / OPENFOAM

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити