基于CFD的主压载水舱吹除仿真与试验验证_羿琦.pdf
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1、基于CFD的主压载水舱吹除仿真与试验验证羿琦1,2,林博群1,2,张万良1,2,陈硕3,邹文天1,2,张康1,2(1.中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室,江苏 无锡 214082;2.深海技术科学太湖实验室,江苏 无锡 214082;3.一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂,江苏 无锡 214026)摘要:采用CFD方法对压缩空气吹除主压载水舱过程进行仿真,同时开展水舱吹除等比模型试验,验证了两种湍流模型的预报准确性。在此基础上,着重研究水舱气液两相流动过程以及舱内气体压力动态变化特性,分析气源压力、通海孔面积对吹除的影响。研究发现:两种湍流模型均可以较好地预测水舱吹除过程,其中,R
2、ealizable k-模型对气瓶气体压力的预测与试验吻合更好;SST k-模型对于水舱中气体压力的预测与试验相对较为接近。通海孔面积增加可以显著减弱水舱气体积压,在气源压力为2.16 MPa、5.04 MPa和8.16 MPa时,通海孔面积增大5.14倍,试验测得的水舱峰压分别减少51.13%、59.90%和64.82%,仿真得到的水舱峰压分别减少50.44%、57.30%和60.02%。在吹除后期,有压缩空气从通海孔溢出,舱内气体压力迅速下降,可以此作为解除吹除的判据。关键词:VOF方法;主压载水舱;通海孔;水舱峰压中图分类号:U674.76文献标识码:Adoi:10.3969/j.iss
3、n.1007-7294.2023.02.006CFD simulation and experimental verification ofblowing process of main ballast tankYI Qi1,2,LIN Bo-qun1,2,ZHANG Wan-liang1,2,CHEN Shuo3,ZOU Wen-tian1,2,ZHANG Kang1,2(1.State Key Laboratory of Deepsea Manned Vehicles,China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China;2.Taih
4、u Laboratory of Deepsea Technological Science,Wuxi 214082,China;3.Wuxi Diesel Engine Works,FAW Jiefang Automotive Co.,Ltd.,Wuxi 214026,China)Abstract:The process of compressed air blowing main ballast tank was simulated by CFD method,and anequal scale model test was carried out to verify the predict
5、ion accuracy of two turbulence models.On this basis,the air-liquid two-phase flow process and the dynamic variation characteristics of air pressure in mainballast tank were studied emphatically,and the effects of air source pressure and sea opening area on theblowing were analyzed.It is found that b
6、oth turbulence models can well predict the blowing process,amongwhich,the prediction of air pressure in bottle by Realizable k-model is more consistent with the test resultswhile the prediction of air pressure in main ballast tank by SST k-model is relatively close to the test results.The increase o
7、f sea opening area can significantly reduce the accumulated air pressure in main ballasttank.When the air source pressure is 2.16 MPa,5.04 MPa and 8.16 MPa,the sea opening area increases by5.14 times,the peak pressure of air in main ballast tank measured by the test decreases by 51.13%,59.90%and 64.
8、82%respectively,and the peak pressure of air obtained by simulation decreases by 50.44%,57.30%and 60.02%respectively.In the later stage of blowing,the compressed air overflows from the sea opening,第27卷第2期船舶力学Vol.27 No.22023年2月Journal of Ship MechanicsFeb.2023文章编号:1007-7294(2023)02-0218-09收稿日期:2022-0
9、8-30基金项目:江苏省自然科学基金项目(BK20200165)作者简介:羿琦(1993-),男,工程师,E-mail:。and the air pressure in the main ballast tank drops rapidly,which can be used as the criterion to stop blowing.Key words:VOF method;main ballast tank;sea opening;peak pressure of air in main ballast tank0 引言高航速下卡舵和低航速下舱室破损进水是对潜艇危害较严重的两类事故1
10、。在现有的操纵技术条件下,发生此类事故时,最有效的操纵方式是利用压缩空气吹除主压载水舱获取正浮力和挽回校正力矩2,并配合操舵、增速等抗沉措施对潜艇进行掉深挽回,使潜艇深度和纵倾恢复到安全界限以内。采用压缩空气吹除主压载水舱涉及气液两相流动,在压缩空气膨胀将压载水排出水舱的同时还伴随剧烈的气液掺混,吹除过程具有强烈的非定常特性。围绕压缩空气吹除主压载水舱的研究对于潜艇的动力抗沉具有重要意义,而对吹除过程的准确预报又是水舱吹除研究中的关键。目前,压缩空气吹除主压载水舱的研究主要包括数理模型研究、CFD数值仿真以及试验研究。水舱吹除数理模型最早由瑞典船舶研究中心(SSPA)的Bystrom提出3,后
11、经刘辉、王晓峰、胡坤等不断完善。刘辉等4-5建立了高压气吹除主压载水舱短路吹除和常规吹除模型,并设计小比例实验装置进行高压气吹除的流动实验,通过与实验对比发现所建数理模型能较好描述高压气的流动过程;王晓峰等6-7考虑重力对吹除过程的影响,改进现有压载水舱高压气体吹除数理模型,并对原始数理模型与改进数理模型进行差异对比,通过高压气体吹除系统的模型试验,验证改进数理模型的可靠性;胡坤等8提出适用于短路吹除的理论数学模型,并进行CFD数值仿真,发现数理模型结果与数值仿真结果吻合较好。随着计算流体力学的发展,CFD仿真以其较低的成本、较灵活的边界条件参数设置、日臻完善的数学和仿真模型,逐渐成为水舱吹除
12、研究的主流研究方法。李其修等1通过CFD中两相流VOF模型对高压气吹除压载水舱的动态过程进行仿真,分析吹除过程压载水舱中气液混合现象、压力变化情况及压载水舱排水速率等特点;张建华等9-10应用VOF两相流模型,对不同水深时高压气吹除主压载水舱过程进行了数值模拟,研究了气液两相界面的形成及生长过程,深入分析了水舱排水速率的变化规律,并针对压载水的残留现象提出了实际操艇过程中需要注意的问题。试验研究耗资巨大且周期较长,所以国内开展的多是小比例模型原理实验。杨晟等11-12进行了潜艇应急燃气吹除系统的小比例模型原理实验,模拟了水下100 m深度时燃气吹除的排水性能与规律,以及燃气吹除过程中的主要性能
13、参数变化情况;刘辉等13为了验证推导建立的高压气吹除主压载水舱数理模型的准确性和合理性,设计了潜艇高压气吹除主压载水舱小比例模型,进行不同模式下高压气吹除压载水舱小比例模型原理实验,得到了高压气吹除压载水舱排水性能以及吹除过程中主要性能参数变化情况,验证了吹除数理模型的准确性。然而,水舱吹除数理模型的建立是基于多种假设,且模型没有考虑实艇管路系统的影响,即使是短路吹除工况,模型的适应性也并不高,需要根据气源压力以及实际管路布置对阀流量系数进行校正;小尺度模型试验成本较高且试验周期较长,且由于尺度效应的存在对实艇操作并不具有直接指导意义。本文采用VOF方法对水舱吹除过程的液面进行追踪,同时开展压
14、缩空气吹除主压载水舱等比模型试验,以验证不同湍流模型的预报准确性。在此基础上,着重研究水舱气液两相流动过程以及舱内气体压力动态变化特性,分析气源压力、通海孔面积对吹除的影响。1 水舱吹除试验1.1 试验装置试验装置组成如图1所示,包含补气系统,吹除管路系统,注、排水系统和控制系统。其中,补气第2期羿琦等:基于CFD的主压载水舱吹除仿真与 219系统为3个高压空气瓶补气,气瓶设瓶头阀,每个气瓶可单独或同时作为气源使用;吹除管路系统的吹除阀用于控制压缩气体的释放与关闭;注、排水系统通海孔可以换装不同通径法兰,用于模拟不同的通海孔面积;控制系统的功能为控制吹除阀和通气阀的启闭,接收阀位状态反馈,同时
15、采集气瓶压力、水舱压力和水舱液位数据。高压空气瓶高压空气瓶控制箱控制箱补气系统补气系统吹除管路系统吹除管路系统控制系统控制系统LI排气口通海孔排气口通海孔P水池水池注、排水系统注、排水系统P单向阀单向阀手动阀吹除阀手动阀吹除阀通气阀通气阀支架支架水舱空压机干燥过滤装置水舱空压机干燥过滤装置PLI滤器液位计压力变送器滤器液位计压力变送器图1 试验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of the test device1.2 试验流程详细的试验流程如下:(1)启动控制系统采集系统数据,启动空压机为高压空气瓶充气至设定压力;(2)换装通海孔法兰,控制通气阀开启为水舱注水,注满后
16、关闭通气阀;(3)控制吹除阀开启,进行水舱吹除;(4)实时观测水舱液位,当液位足够低时,控制吹除阀关闭,试验结束。2 仿真物理模型和数学描述2.1 仿真物理模型由于吹除管路引到主压载水舱底部且出口向上弯曲,压缩空气由水舱底部进入水舱,气体出流方向向上,因此,将仿真物理模型简化成底吹进气方式14。简化后的仿真物理模型如图2所示。主压载水舱设置2个通海孔,将吹除管路系统简化成等截面直管,等效直管长度为20 m,考虑到通海孔出口处射流收缩会对水舱的排水速率有一定影响,物理模型中通海孔外加入一段海水流域,称为舱外海域。2.2 湍流模型压缩空气吹水的过程具有强烈的瞬态性和非线性,本文分别采用Realiz
17、able k-模型和SST k-模型计算水舱吹除过程,研究两种模型对水舱吹除计算的适用性。(1)Realizable k-模型Realizable k-模型为对标准k-模型的修正,其优势在于可以更精确地模拟平面和圆形射流的打散速度,对于旋转流、分离流和有方向压力梯度的边界层流动的计算更为精确。在该模型中,涡流粘度t计算式中的系数C不再是常数。t=Ck2(1)主压载水舱通海孔舱外海域管路高压空气瓶图2 简化后的仿真物理模型Fig.2 Simplified simulation physical model220船舶力学第27卷第2期C=1A0+AsU*k/(2)式中,为流体密度,k为湍动能,为湍
18、流耗散率,U*是平均应变率和旋度的函数,A0和As是模型常数。(2)SST k-模型标准k-模型考虑了可压缩性、低雷诺数以及剪切流扩散的影响,因此适用于混合层计算、尾迹流动计算、射流计算以及有壁面限制的流动计算。相较标准k-模型,SST k-模型在考虑湍流剪应力输运特性的同时调整了湍动粘度,使得模型在计算逆压梯度下的近壁面分离流和远场充分发展湍流方面均具有较高精度。SST模型与标准模型的主要区别在于在输运方程中增加了交叉扩散项,计算适用性更广,可用于有逆压梯度的流动计算、跨音速激波计算等。标准模型中输运方程为t()+xi(ui)=xj()xj+G-Y+S(3)SST模型中输运方程为t()+xj
19、(uj)=xj()xj+G-Y+D+S(4)式中,是比耗散率,t是时间,ui、uj是速度分量,xi、xj是位置分量,为有效扩散项,G为生成项,Y为耗散项,D为交叉扩散项,S为用户自定义源项。2.3 多相流模型VOF模型是欧拉-欧拉多相流模型的一种,在VOF模型中,不同流体组分共用同一动量方程。模型对分层流、自由面流动、液体中大气泡流动、灌注、晃荡、喷射衰竭以及任意气-液分界面均可以较为准确地预测。模型定义流体体积分数函数来表示某相流体所占体积与该网格体积之比。若=1,则表示网格内均为该相流体;若=0,则表示网格内没有该相流体;若01,则网格内为多相的交界面。在二维条件下,的传输方程为vt+(u
20、)x+(v)y=0(5)式中,u、v分别为沿x和y方向的速度。2.4 边界条件和求解设置高压空气瓶、管路、主压载水舱以及舱外海域的圆柱面均设为壁面边界(wall),通海孔设为内部边界(interior),舱外海域底部设为压力出口边界(pressure-outlet)。求解采用瞬态的压力基求解器,求解算法采用PISO算法。考虑重力的影响,设置重力的大小和方向,并设置操作密度为0。使用显式VOF模型,并设置体积分数的空间离散格式为Geo-Reconstruct格式。3 结果与讨论3.1 不同湍流模型计算结果比较为研究两种模型的预报差异,在不同气源压力下,分别开展水舱吹除试验与仿真。计算工况参数如表
21、1所示。以水舱吹除时间t、高压空气瓶中气体压力PF和主压载水舱中气体压力PB作为研判依据,分析不同湍流模型的预报差异。图35分别为不同气源压力下气瓶中气体压力变化趋势和水舱中气体压力变化趋势。表 2为仿真结果和试验结果的对比,其中水舱峰压 PB,max为吹除过程中水舱气体峰值压力,第2期羿琦等:基于CFD的主压载水舱吹除仿真与 221表1 计算工况参数Tab.1 Calculation condition parameters通海孔通径DN65DN65DN65通海孔数目222通海孔面积A/m20.007 9180.007 9180.007 918气源压力PF0/MPa1.173.125.04仿
22、真湍流模型SST k-Realizable k-SST k-Realizable k-SST k-Realizable k-仿真吹除时间以吹除舱内95体积压载水计,试验吹除时间由液位变化情况判定,由于试验系统采样频率较低且水舱液位极不稳定,表中给出的试验吹除时间为根据液位判断得出的估计值。综合图、表结果可以看出,两种模型均可以较好地预测气瓶放气过程和水舱吹除过程,气瓶中气体压力和水舱中气体压力与试验结果吻合较好。在对气瓶气体压力的预测上,Realizable k-模型与试验吻合更好;对于水舱中气体压力的预测,两种模型计算结果均比试验结果偏高,SST k-模型与试验相对较为接近。分析仿真压力偏高
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