復雜外形ROV的快速性數值計算?

劉俊新 徐 陽

（中國船舶重工集團有限公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

隨著任務的復雜和多樣化，復雜ROV得到了大力發展。由于外形復雜多樣，其快速性的精確計算是一個技術難點。

目前可得到ROV阻力的方法主要有工程估算法、風洞試驗法和數值計算法。工程估算法形式簡單，難以對復雜外形ROV的流體動力參數進行準確計算，精度有限；風洞試驗法周期長、耗資大，往往不能滿足方案設計階段的進度要求；數值計算法發展日趨成熟，特別是一些商用計算流體力學軟件已越來越廣泛地應用于ROV設計之中，在很多情況下，數值計算已達到與風洞試驗相當的精度。

本文利用SSTk-ω湍流模型對復雜外形ROV的阻力進行數值計算，取得了較好的結果。

2 控制方程與算法

2.1 連續方程

式中：ρ表示密度；U表示速度；t為時間。

μt和αl分別表示流體動力粘度和水相的體積分數。

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湍流模型中的函數關系，則SST湍流模型可表示為

SST湍流模型考慮到湍流剪切應力的輸運，不但能夠對各種來流進行準確的預測，還能在各種壓力梯度下精確模擬分離現象，其綜合了近壁面k-ω模型的穩定性及邊界層外部k-ε模型獨立性的優點，它的計算模擬性能優于后兩者。各系數取值為β'=0.09，α1=5/9，β1=0.075，σk1=2，σω1=2，α2=0.44，β2=0.0828，σk2=1，σω2=1.168，各個數據的取值取自參考文獻［1～2］。

3 計算模型及網格劃分

3.1 模型

圖1給出了ROV實物模型圖，從圖中可以發現，ROV附體較多，結構復雜。

3.2 網格劃分

計算網格的好壞直接影響到數值計算的可行性、收斂性以及計算精度。前處理軟件ICEM CFD是一款成熟的網格劃分軟件，它向用戶提供業界領先的高質量網格技術，其強大的網格劃分功能可以滿足CFD仿真計算的嚴格要求。

本文采用非結構網格，對尾流場區域進行局部加密，同時考慮流體粘性作用，加入邊界層網格，并利用與湍流強度相關的Yplus對所建模型進行考核。ROV流場網格圖及邊界層網格如圖2和3所示，數值計算網格量為978萬。

圖2 流場網格

圖3 邊界層網格

3.3 計算工況

本文在攻角-90°～90°和側滑角-90°～90°下進行數值計算。

3.4 計算邊界條件設置

1）流體介質：水；湍流模型：SST；

2）速度入口：4kn和2kn；壓力出口：0Pa；

3）計算域壁面及ROV壁面：無滑移壁面。

4 計算結果及分析

ROV流體動力變化曲線如圖4～圖11所示。

4.1 攻角及側滑下仿真結果

圖4和圖5給出了在4kn和2kn下，數值仿真結果，從圖中不難發現，隨著攻角的增大，ROV所受到的阻力都不斷增大，整個曲線呈拋物線狀，由于ROV前后不對稱導致阻力曲線也不對稱。

圖6和圖7給出了在4kn和2kn下，數值仿真結果，從圖中不難發現，隨著攻角的增大，ROV所受到的阻力都不斷增大，整個曲線呈拋物線狀。由于ROV左右稱，所以阻力曲線關于0°側滑角對稱。

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阻力隨側滑角的變化（V=2m/s）

圖7 ROV阻力隨側滑角的變化（V=1m/s）

4.2 攻角及側滑角的耦合作用下阻力的變化分析

圖8 給出了ROV前進時，在不同攻角、側滑角耦合作用下的阻力系數曲線，變化曲線呈拋物線狀，由于外形復雜，拋物線出現交叉現象。

圖8 ROV阻力隨攻角及側滑角的變化曲線（4kn）

圖9 給出了ROV后退時，在不同攻角、側滑角耦合作用下的阻力系數曲線，變化曲線呈拋物線狀，由于外形復雜，拋物線出現交叉現象。

圖9 ROV阻力隨攻角及側滑角的變化曲線（-4kn）

4.3 流場壓力變化及分析

由圖10、圖11和圖12可以看出，ROV所多個位置出現高壓區，導致ROV阻力有了很大變化，使得快速性降低。

圖10 攻角0°時的壓力云圖

圖11 攻角-10°時壓力云圖

圖12 攻角-10°時壓力云圖

5 結語

采用SST湍流模型，建立了復雜外形ROV的數值水洞模型，對其阻力特性進行計算，在攻角及側滑角變化時，阻力特性呈拋物線狀，ROV所受流場壓力主要集中在正面和底部附體上，在此處流場壓力及速度變化復雜，導致ROV阻力發生了很大變化，影響其快速性。