[论文解读] A Comparison of Model-Scale Experimental Measurements and Computational Predictions for a Large Transom-Stern Wave

David Drazen, Anne M. Fullerton+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Ship Hydrodynamics and Maneuverability参考文献 6被引用 4

一句话总结

本研究通过LiDAR和QViz传感器获取的大尺寸船艉模型实验测量数据，对比了两种CFD代码NFA与CFDship-Iowa-V.4在湿艉和干艉条件下的数值预测结果，针对大尺度船艉波的波高、阻力及频谱特性进行了分析。结果表明，数值模拟与实验在波高、阻力和频谱特征方面具有高度一致性，验证了当前CFD在复杂破碎波流模拟中的能力。

ABSTRACT

The flow field generated by a transom stern hull form is a complex, broad-banded, three-dimensional system marked by a large breaking wave. This unsteady multiphase turbulent flow feature is difficult to study experimentally and simulate numerically. Recent model-scale experimental measurements and numerical predictions of the wave-elevation topology behind a transom-sterned hull form, Model 5673, are compared and assessed in this paper. The mean height, surface roughness (RMS), and spectra of the breaking stern-waves were measured by Light Detection And Ranging (LiDAR) and Quantitative Visualization (QViz) sensors over a range of model speeds covering both wet- and dry-transom operating conditions. Numerical predictions for this data set from two Office of Naval Research (ONR) supported naval-design codes, Numerical Flow Analysis (NFA) and CFDship-Iowa-V.4, have been performed. Comparisons of experimental data, including LiDAR and QViz measurements, to the numerical predictions for wet-transom and dry transom conditions are presented and demonstrate the current state of the art in the simulation of ship generated breaking waves. This work is part of an ongoing collaborative effort as part of the ONR Ship Wave Breaking and Bubble Wake program, to assess, validate, and improve the capability of Computational Fluid Dynamics (CFD).

研究动机与目标

• 评估最先进的CFD模拟在预测船艉型船体后方复杂、非定常、三维破碎波方面的准确性。
• 提供来自大型模型试验（Model 5673）的高保真实验数据，作为CFD验证的基准。
• 评估两种ONR支持的CFD代码——NFA与CFDship-Iowa-V.4——在不同艉部状态（湿艉与干艉）下的性能表现。
• 识别均方根波面粗糙度与频谱特征中的差异，以指导未来CFD模型的改进。
• 通过验证与优化CFD工具，支持ONR舰船波浪破碎与气泡尾流计划，服务于军用作战舰艇设计。

提出的方法

• 在NSWCCD Carriage 2拖曳水池中开展模型尺度实验，使用定制玻璃钢Model 5673，其艉部吃水可调。
• 采用LiDAR与定量可视化（QViz）传感器，测量弗劳德数为0.38与0.43时的平均波高、表面粗糙度（RMS）及波谱特征。
• 利用NFA代码进行数值模拟，该代码基于结构化笛卡尔网格的纳维-斯托克斯求解器，采用剪切单元边界处理方法。
• 应用CFDship-Iowa-V.4，一种基于水平集方法、保守型格式与动态重叠网格技术的非定常URANS/DES求解器，用于自由表面流模拟。
• 将模拟结果与实验数据在阻力、平均波面高程、波剖面、FFT频谱及RMS分布等方面进行对比。
• 分析空气掺混与剪切层效应，以解释波面高程数据中的频谱峰特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 NFA与CFDship-Iowa-V.4在湿艉与干艉条件下对船艉型船体的平均波面高程与阻力预测精度如何？
• RQ2 CFD模拟在多大程度上再现了实验波谱特征，包括主频率与RMS粗糙度？
• RQ3 船艉上方“公鸡冠”流区下方的多相剪切层在波面高程频谱峰形成中起何种作用？
• RQ4 为何CFDship-Iowa-V.4预测了肩波，而LiDAR数据中未观测到？
• RQ5 预测与实测的发散波角相比如何，特别是在干艉状态下？

主要发现

• 尽管采用无滑移边界条件，NFA对阻力、自由表面高程与空气掺混的预测结果均在实验误差范围内，表明其具有高度一致性。
• CFDship-Iowa-V.4对平均波面高程的预测在湿艉情况下与实验数据偏差小于4.5%，干艉情况下小于6.5%。
• 湿艉波的主频率预测值与实验值相差仅0.1%，与斯特劳哈尔数为0.075的卡门涡街机制一致。
• 干艉情况下发散波角预测值低估18%，导致RMS与波剖面比较误差偏大。
• 两种CFD代码均在船艉附近预测到肩波，而LiDAR测量中未观测到，表明此为模型中的人为误差。
• 在船艉区域，解析的湍流动能超过总湍流动能的92%，证实CFDship-Iowa-V.4模拟中LES激活所需的网格分辨率足够。