大型油轮航行阻力和流场的数值计算的序列化和验证外文翻译资料

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Ships and Offshore Structures

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Verification and validation of numerical calculation of ship resistance and flow field of a large tanker

B. J. Guo a , G. B. Deng b amp; S. Steen a

a Department of Marine Technology , Norwegian University of Science and Technology (NTNU) , Trondheim , Norway

b Equipe de Modeacute;lisation Numeacute;rique, Laboratoire de Meacute;canique des Fluides-UMR6598 , Ecole Centrale de Nantes (ECN) , Nantes , France

Published online: 21 Mar 2012.

To cite this article: B. J. Guo , G. B. Deng amp; S. Steen (2013) Verification and validation of numerical calculation of ship resistance and flow field of a large tanker, Ships and Offshore Structures, 8:1, 3-14, DOI: 10.1080/17445302.2012.669263

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Ships and Offshore Structures, 2013

Vol. 8, No. 1, 3–14, http://dx.doi.org/10.1080/17445302.2012.669263

Verification and validation of numerical calculation of ship resistance and flow field

of a large tanker

B.J. Guoalowast;, G.B. Dengb and S. Steena

aDepartment of Marine Technology, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim, Norway; bEquipe de Modeacute;lisation Numeacute;rique, Laboratoire de Meacute;canique des Fluides-UMR6598, Ecole Centrale de Nantes (ECN), Nantes, France

(Received 23 August 2011; final version received 20 February 2012)

Ship resistance and flow field of KVLCC2 (KRISO Very Large Crude Carrier 2) are studied experimentally and numerically. A systematic analysis of both experimental and numerical uncertainty is performed. The experiment focuses on resistance distribution along the hull, which is divided into three segments. A detailed experimental uncertainty analysis with bias and precision limits is investigated. The validation of numerical calculation is performed for four grid densities and two turbulence models: lsquo;Shear-Stress Transport k-omega;rsquo; (SST) and lsquo;Explicit Algebraic Stress k-omega;rsquo; model (EASM). The validation and verification show that the numerical results are reasonable and reliable. The numerical study shows that both turbulence models can give good prediction of resistance, shiprsquo;s sinkage and trim, as well as flow field around the hull. Comparatively, the lsquo;EASMrsquo; model has higher accuracy. The prediction of resistance on the aft segment confirms the superiority of anisotropic lsquo;EASMrsquo; model, and shows that the present measurement data are a valuable test case for both numerical verification and turbulence model validation.

Keywords: segmented model; KVLCC2; wake flow; ship resistance

Introduction

Ship resistance and flow field are significant in practical ship design. In the future, Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) calculation will be able to accurately determine ship resistance as well as spatial distribution of forces on the hull, without expensive experiments. However, accu- rate experimental data with carefully evaluated uncertainty level are still needed to validate the numerical calculation (Stern et al. 1998).

There are some experimental data available for the val- idation of calculations of ship resistance and flow field around ship models. The International Towing Tank Confer- ence (ITTC) summarised available ship resistance bench- mark for the validation of computational fluid dynamics (CFD) (Stern et al. 1998; ITTC 1999). The benchmark model KVLCC2 (KRISO Very Large Crude Carrier 2) is a modern hull form and was developed to provide a hull, typical for very large crude carriers (VLCCs; Van et al. 1998). This model was chosen as a CFD validation test case for the Gothenburg 2000 workshop. Unfortunately, no measured resistance

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船舶和沿岸设施

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大型油轮航行阻力和流场的数值计算的序列化和验证

B.J.郭,G.B.邓,amp;S.Steen

挪威科学技术大学(NTNU)，T rondheim，挪威b数值建模团队，流体力学实验室-UMR6598，南特中央学院(ECN)，南特，法国在线出版:2012年3月21日。

引用这篇文章: B.J.郭,G.B.邓,amp;S.Steen(2013)大型油轮航行阻力和流场的数值计算的序列化和验证,船舶和沿岸设施,8:1,3-14,DOI:10.1080/17445302.2012.669263

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船舶和沿岸设施，2013年

Vol.8,No.1,3-14,http://dx.doi.org/10.1080/17445302.2012.669263

大型油轮航行阻力和流场的数值计算的序列化和验证

B.J.郭,G.B.邓,amp;S.Steen

挪威科学技术大学(NTNU)，特隆赫姆，挪威;法国南特中央学院(ECN)，UMR6598流体力学实验室，数值建模小组(2011年8月23日接收);最终版本已于2012年2月20日收到)

对KVLCC2(KRISO超大型油船2)的船舶阻力和流场进行了实验和数值研究。对实验和数值不确定度进行了系统的分析。试验主要研究了阻力沿船体的分布，试验分为三个部分。研究了带有偏差和精度限制的详细的实验不确定度分析。进行数值计算的验证四个网格密度和两种湍流模型:剪切应力运输k-omega;(SST)和“显式代数应力k-omega;”模式(EASM)。验证和验证结果表明，数值计算结果合理可靠。数值研究表明，两种湍流模型都能很好地预测阻力、船体的下沉和纵倾，以及船体的流场。相对而言，“EASM”模型具有较高的精度。尾段阻力的预测证实了在各个方面“EASM”模型的优越性，并表明现有的测量数据是数值验证和湍流模型验证的有价值的试验案例。

关键词:分段模型;KVLCC2;尾流;船舶阻力

1.介绍

船舶阻力和流场对船舶设计具有重要的现实意义。在未来，并不需要昂贵的实验， Navier-Stokes(RANS)计算将能够准确地确定船舶阻力以及船体上力的空间分布。然而，精确的实验数据和仔细评估的不确定度仍然需要验证数值计算(Stern et al. 1998)。为船舶阻力和流场计算的验证提供了实验数据。 ITTC总结了用于计算流体动力学(CFD)验证的可用船舶阻力基准(Stern et al. 1998;ITTC 1999)。基准型号KVLCC2(KRISO超大型原油运输船2)是一种现代船型，其目的是提供一种典型的超大型原油运输船船型;Van等人，1998)。

该模型被选为哥德堡2000车间的CFD验证测试用例。不幸的是，没有提供测量电阻数据，流场信息不完整(Larsson et al. 2003)。为了为CFD验证提供更详细的数据，Kim等人(2001)测量了油轮阻力、波浪形态和拖曳池设计速度下的局部速度。此外，为了得到湍流统计量的空间分布，Lee等人(2003)在通讯作者那里调查了流信息。模型在风洞中无近尾迹区。这些实验数据也成为2010年哥德堡研讨会基准数据的一部分(Larsson et al. 2010)。

上述实验主要是测量总阻力和流场信息，而没有关于阻力沿船体分布的实验信息，这对船舶优化是有帮助的。为了测量沿船体的阻力分布，船舶模型应该被分成几个部分。分段模型试验是船舶水弹性研究的常用方法，国际船舶与近海结构会议(ISSC 2009)对分段模型试验的讨论进行了总结。例如，Ge(2002)使用的分段模型包括与力传感器和可调刚度接头连接的分段。通常，模型被纵向切割成三个部分，每个部分都有一个铝框架。Ge实验的目标是测量每个切面的垂直剪切力和弯矩。与这个目标不同，这里测量的是每个线段的电阻。整个模型只使用了一个铝框架，测量纵向力的力传感器用于将每个部分连接到框架上。设计的实验测量了各节段的电阻分布以及总电阻。图2显示了该实验设置的示意图。

图1所示。车身平面(尺寸以毫米为单位)。

与实验相比，RANS计算可以方便地提供综合的流场信息(Zhang et al. 2006)。得出的主要结论之一(larssonetal.2003,2010;Hino2005)是，湍流模型无法预测波动。高阶各向异性湍流模型具有较好的预测效果。在Svennberg(2000)、Kim et al.(2002)和Guo and Steen(2010)中可以找到更多关于这个主题的讨论，特别是关于KVLCC2的讨论。然而，高阶湍流模型的计算代价较高，鲁棒性难以保证。

对于阻力预测，不同湍流模型的预测精度差异较大。在哥德堡2000车间,k-ε模型,k-omega;模型,雷诺应力模型(RSM),利用代数应力模型,并发现船舶阻力变化在不同湍流模型的估计(拉尔森et al . 2003年)。Ismail等(2009)认为对流模式对船舶阻力的影响小于湍流模式，采用数值耗散最小的对流模式的各向异性湍流模式可以提高数值精度。Eca和Hoekstra(2009)对KVLCC2的摩擦阻力和压力阻力进行了大量的数值研究，分析了雷诺数、湍流模型、网格密度、迭代误差、域大小等因素的影响。结果表明，不同湍流模型之间的阻力差异大于数值不确定性。但是，总电阻的数值不确定度没有提供，其数值结果没有经过实验验证。一些研究集中在优化船舶时沿船体的阻力分布(Percival et al. 2001;Vyselaar等，2007; Park and Chun 2009)。船体优化的方法改变了船首，船尾，甚至中间平行部分，以尽量减少总阻力，而这里的重点是在每个部分的阻力。在模型试验的基础上，进行了阻力分布的CFD计算，分别计算了各分段受力情况，研究了阻力沿船体的分布情况。

本文对电阻在数值和实验不确定度上的分布进行了系统的分析。这项工作是“SeaPro”项目的一部分，该项目主要关注船只在波浪中增加的阻力和速度损失。本文工作的目的是对数值计算的误差和不确定性进行估计，并对流场、船舶阻力和运动的数值预测的准确性进行检验。本实验的独特之处在于将船体分成三段进行阻力分布研究，可用于船体优化。用偏置和精度极限值研究了实验的不确定度。数值验证和确认是通过执行网格收敛性研究两种湍流模型,即一个各向异性的EASM k-omega;(显式代数应力模型)和一个各向同性的“场”(剪应力运输k-omega;)模型(1992年表示“状态”),对阻力分布及其影响,船的下沉和削减,以及流场的详细检查。

2.实验

2.1.计算的实现

KVLCC2模型是在MARINTEK(挪威海洋技术研究所)按1/58比例建造的，它是一个没有舵和螺旋桨的裸船体。

图2。各节段尺寸及摩擦板尺寸(mm)

表1。KVLCC2的主要特点。

主要尺寸如表1所示，该模型的详细描述为船舶操纵仿真方法(SIMMAN;Stern和Agdrup 2008)。为保持航行试验，设计的船舶吃水较小，以避免海水冲到甲板上。因此，通过将框架线外推到总深度0.7 m(模型比例尺)，增加了船舶模型的深度，模型的体平面如图1所示。

其新特点是模型由三段组成，前后段电阻分别测量。各部分之间的开口是用非常柔软的橡胶箔密封的，因此表面看起来相当光滑。每个段的维数如图2所示。各节段的重量分布为:前节段469公斤，中节段597公斤，后节段544公斤。模型试验是在挪威特隆赫姆的MARINTEK大型拖曳水池中进行的。这个水箱长260米，宽10米。水箱由两个不同深度的部件组成;离造波器最近的80米是10米深，其余部分是5米深。

使用图3所示的连接系统将模型连接到拖曳架下。在这种情况下，模型可以自由地升沉和俯仰，通过船头和船尾的纵倾支柱固定在摇摆和偏航中，并通过阻力测力计在模型和拖曳车之间灵活地连接在一起来限制纵荡。电阻测力计的位置也如图2所示。

图4。坐标系统。

船舶的运动是根据前后柱的位移来测量的，分别位于前垂线(FP)和后垂线(AP;见图3)。船舶重心下沉计算为

eta;3 =eta;FP 3-.xG（1）

重力坐标中心协调系统如图4所示,eta;FP 3和eta;AP 3代表前后的位移。船舶的纵倾角是根据

eta;5 =arctan()times;（2）

为了对数值结果和实验结果进行分析，这里使用右手坐标系(x, y, z)，这是在 Gothenburg 2010 研究室中采用的实验方式(见图4)。实验结果和数值结果都转移到这个坐标系中进行比较。

2.2。实验的不确定性

以下是ITTC(2002)推荐的实验不确定度的方法和步骤。误差分为偏差误差和精度误差，如图3所示。模型安装在车厢下面。0.39%的预估偏差限和精度限为95%水平。这里讨论的实验结果是Fn = 0.142，这是KVLCC2的设计速度。

表2。每段电阻的偏置极限。

电阻测量BRx的偏置误差包括三个不相关的基本误差:BRx1、brx2和BRx3，计算为BRx =。校准误差BRx1由校准权值的误差引起，选择权值的公差为0.005%。误差BRx2是由于力传感器的偏差或测试和校准之间的差异，根据BRx2 = Rx(1minus;cos)进行估计，其中Rx是测量的电阻。误差brx3来自校准数据相对于最小二乘线性拟合曲线的分散(Coleman和Steele 1999;2005年)。相关的电阻偏置极限见表2。由于我们的模型被分成三个部分进行测量，由于用于密封切口的橡胶，总电阻增加了一点。因此，这里采用Kim等人(2001)测量的总电阻进行验证。实验不确定度取1% (Larsson et al. 2010)。

给出了船舶下沉和纵倾的偏倚极限估计

= （3）

在方程(1)和(2)中theta;表示重量的估计值。在FP和AP位移的偏移误差,可以用与BRx相同的方法计算(Longo和Stern 2005)。表3总结了在FP和AP、下沉和纵倾下位移的偏置极限。例如，由于没有关于这一估计的实验数据，因此没有包括由轨道失调引起的偏置误差。

表3。船舶下沉和纵倾的偏置极限。

表4。实验结果的精度限制。

精度限制结果如表4所示的首段阻力,阻力在船尾段筏,船下沉的量为eta;3到eta;5。对静水中的运行进行了分析，找出了所有样本Px的平均值的精度误差。此外，给出了标准差Sx，精度极限百分比Px/D;D为各测量参数的平均值。

将偏差误差和多次试验的精度极限结合起来，可以根据UDx =(ITTC 2002)。各被测变量的不确定度如表5所示。

由表5可知，与其他参数相比，沉陷的不确定度百分比较大。不确定度的主要贡献来自于精度误差。下沉误差的主要原因被认为是钢轨离水面高度的变化。eta;3的相对不确定性的另一个重要的原因,是它的价值很小。

3.数值方法

本文采用有限体积法求解不可压缩的RANS，并利用EMN (Equipe de Modelisation Numerique)开发的ISIS-CFD流动求解程序对湍流进行了数值模拟。该求解器可以处理多相流和动态网格。详情请参阅FINE/Marine V2.2 (NUMECA International 2010)。速度与压力的耦合采用了一种简单的方法。采用解析加权网格变形法处理船舶运动，利用各相体积分数的守恒方程对自由曲面进行建模。

表5所示。实验的不确定性。

3.1。计算域

Eca和Hoekstra(2009)研究了域大小对数值结果的影响。根据他们的研究，这里只使用了一个足够大的域名。计算域为-1.75Lpp lt; x lt; 2Lpp, 0 lt; y lt; 1.8 Lpp， -1.5 Lpplt; z lt; 0.3 Lpp，其中船的中平面位于y = 0处，船的底部位于z = 0处。船尾位于x = 0处，船头位于x = Lpp处。这只是为船体的一半;因此，在y = 0处采用“对称”边界条件。

3.2。湍流模型

本文选择了海温和EASM两种湍流模型进行数值计算。SST模型结合了现有双方程模型的几个理想特性，与其他双方程模型(Menter 1992等)相比，该模型在强反压力梯度和分离条件下具有较好的预测效果。因此，它是海洋流体动力学

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