海面梯度风下一种翼型风帆的数值计算.pdf

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1、第22卷第6期(总第132期)船舶V0I_22No．62011年12月SHIP&B0ATDecember，2011[研究与设计]海面梯度风下一种翼型风帆的数值计算杨亦霖陈威胡以怀(上海海事大学商船学院上海200135)[关键词]翼型风帆；梯度风；气动系数[摘要]引入一种近海面梯度风场的计算方法，通过Spalart—Allmaras湍流模型求解三维不可压流体的N—S方程，计算近海面风场实际分布下一种翼型风帆的气动表现。比较了定值风速气动特性与梯度风表观气动特性的升阻比，同时讨论了在所述条件下，应用定值风速气动特性分析海面实际风场下风帆表现引起的误差。[中图分类号]U66

2、4．31[文献标志码]A[文章编号]1001—9855(2011)06—0006—04JTumeri■ca●ls●imulat·l●0nOlnw●lnl~Sailingrac1I●lent·Wi●nc1Icond1i●t-i●onYANGYi-linCHENWeiHUYi-huai(MerchantMarineCollege，ShanghaiMaritimeUniversity，Shanghai200135，China)Keywords：wingsail；gradientwind；aerodynamiccoeficienAbstract：Byintroducingak

3、indofcomputationalmethodofoffshoregradientwindfield，thispapersimulatedthethreedimensionalincompressibleflowbysolvingtheN-SequationwiththeSpalart—Allmarasturbulencemode1．111eaerodynamicperformanceofthewingsailintherealoffshoregradientwindconditionwascalculatedandcomparedtothosewithconsta

4、ntwindspeedcondition，theerrorswerediscussed．是某一参考高度的平均测量风速，所以对实际海面0引言风场的模拟可以更准确的分析辅助风帆在应用中的实际效果。风能的利用对于船舶节能减排有着重要的意本文根据海面实际风场的分布特性。采用CFD义。近年来，随着能源消耗的日益加剧，使用风帆作方法对一种翼型风帆的气动特性进行了数值模拟。为船舶辅助动力的研究得到广泛关注。应用风帆助结果对比分析表明．风帆在接近真实海面风的梯度航的船舶．节能效果一般可以达到5～15％之间⋯，而风场下与定值海面测量风速时的风载荷数值结果有风帆气动性能的表现直接影响实际

5、应用效果。国内一定的差别。外的一些研究者对风帆气动特性的研究均表明，翼型风帆具有更好的升阻比，因而在实际应用中具有1物理模型及研究方法更佳的推动效果。由于受到海面的粘滞阻力，近海面风的分布特1．1风帆的物理模型性是随高度变化的梯度分布，通常所述的海面风速风帆的实体模型为左右对称翼型硬质风帆，风[基金项目]上海市自然科学基金(08ZR1409100)；上海科委重点项目(08210511800)[收稿日期]2011-04—29[作者简介]杨亦霖(1985一)，男，汉族，硕士，研究方向：工程热物理。陈威(1968一)，男，汉族，博士，副教授，研究方向：舰船动力及新能源利用。

6、胡以怀(1964一)，男，汉族，教授，研究方向：轮机及新能源利用。6海面梯度风下一种翼型风帆的数值计算帆截面上下均为圆弧形，上下拱度比分别为O．16和子运动粘度，是动力粘度；参量f2=Ct3exp(一X2)；0．1，弦长l0．8m，展弦比是1．45，帆面下缘距离海平面高度为15m。模型如图1所示。L=g【喜慧]I／6，g=r+(r6r)。输送方程中考虑应变率对湍流的影响：s(2)式中：是涡量。d表示离散单元到壁面的距离，k为常量。模型边界条件：壁面=0。在数值计算中，各常量参数设置如下l3：】=O．1335，I2=0．622，o-=213，】=7．1，图1翼型风帆的实

7、体模型Cwl=+，C~2=0．3，Cw3=2．0，k：0．41。按照空气动力学的研究方法，翼型风帆受到的1．3计算区域及边界条件的设置气动力可以分解成与来风垂直的方向，即升力方向设置尺寸为100rex60mx135m的计算区域作轴和与来风平行的方向，即阻力方向D轴。风帆前为流场区域。帆面下边缘距离底边为15m，四壁边缘与后缘的连线与来风角度为几何攻角。风帆的界类型均为光滑壁面，帆面表面为无滑移壁面。气动特性可以用升力系数和阻力系数描述，见图2。图2气动特性的描述图3计算区域的网格划分1．2湍流数学模型描述流场使用三维不可压缩流体的N—S控制海面梯度风