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循环水槽船模阻力试验不确定度分析-上海精宏实验设备有限公司

[导读]采用试验流体力学(EFD)和计算流体力学(CFD)方法研究流体力学,都存在不确定度分析的问题。针对循环水槽船模阻力试验开展不确定度研究,分别分析精度极限、天平标定和数据采集过程中引起的不确定度。上海精宏实验设备有限公司

采用试验流体力学(EFD)和计算流体力学(CFD)方法研究流体力学,都存在不确定度分析的问题。针对循环水槽船模阻力试验开展不确定度研究,分别分析精度极限、天平标定和数据采集过程中引起的不确定度。[方法]针对循环水槽所特有的、来流不均匀度和湍流强度难以通过EFD方法求解不确定度的敏感系数,根据上海交通大学循环水槽的实际情况建立相关数学模型,采用CFD模拟得到来流不均匀度和湍流强度对总阻力的影响,应用不确定度理论得到相应的不确定度分量,对CFD计算的不确定度进行专门分析。[结果]结果显示:在CFD不确定度分析中,修正和未修正的计算结果均得到了有效确认,表明利用CFD模拟开展研究可行;循环水槽船模阻力试验合成相对不确定度为1.91%,湍流强度对阻力的影响最大,起主导作用,在设计循环水槽时应尽可能降低湍流强度;由不均匀度引起的不确定度分量,以及由精度极限、天平标定和数据采集过程引起的不确定度分量均不大。[结论]采用CFD方法分析EFD不确定度的一些分量,具备可行性和一定的借鉴意义。

试验研究是一种重要的研究手段。在船舶水动力学研究中,船模阻力试验作为基准试验,一直是国际船模拖曳水池会议(ITTC)讨论的重点问题之一。近年来,ITTC还十分重视船模阻力试验流体力学(experimental fluid dynamics,EFD)的不确定度研究,推荐了一套可行的不确定度分析规程[1],并已得到广泛运用。船舶EFD不确定度分析已然成为船舶工程领域前沿热点课题。

值得注意的是,基于拖曳水池开展的船模阻力试验不确定度分析已得到较为广泛的研究,但基于循环水槽开展的船模阻力试验不确定度分析却几乎为空白。周广利等[2]对一艘3 m长的玻璃钢标准船模进行了船模拖曳阻力试验的测量不确定度研究,研究表明,在总阻力系数Ct和剩余阻力系数Cr的误差传递过程中,阻力测量设备偏差极限对试验结果偏差极限的影响最大;史圣哲等[3]对一艘4.5 m长的潜艇标模SUBOFF进行了潜艇标模阻力试验的测量不确定度研究,结果表明,黏性系数对摩擦阻力系数影响最大,湿表面积对总阻力系数影响最大。与拖曳水池相比,循环水槽克服了拖曳水池受轨道限制、试验时间长等缺点,具有测试时间短、可长时间计测、方便通过槽壁和槽底的观察窗进行观察和拍摄、投资少、占地少、见效快等优点[4],因此循环水槽被广泛用于开展船舶工程、海洋工程、渔业水产和教学等相关试验,其中最常见的试验便是船模阻力试验,但前人却未对该试验进行过不确定度分析。只有刘晗[5]曾结合Norrbin[6]提出的岸壁效应公式,基于循环水槽对超大型油轮KVLCC2标准模型进行了岸壁效应不确定度研究,研究表明,根据岸壁效应的不确定度偏差成分分布,当水动力测试结果较小时,应重点关注力的测量值偏差,当水动力测试结果较大时,则应重点关注速度和吃水造成的偏差。

为弥补基于循环水槽开展的船模阻力试验不确定度研究的空白,深入分析循环水槽船模阻力试验的不确定度,课题组在上海交通大学循环水槽(circulating flow measurement system,CFMS)中对10万吨级深远海养殖平台[7]进行了船模阻力试验,在分析不确定度来源时,本文将考虑循环水槽特有的来流不均匀度和湍流强度这2项因素。根据Feng等[8]的相关研究,因水温、船模湿表面积等因素对船模总阻力影响甚微,故本文将予以忽略。阻塞效应会引起船体表面速度增量,Tamura[9]通过理论分析和推导得出了速度修正公式,并通过相关试验,发现理论结果与试验数据相比较吻合度较高,该方法被沿用至今。寇莹[10]针对CFMS阻塞效应的研究结果表明,采用Tamura[9]提出的公式修正速度增量可有效解决循环水槽试验结果的阻塞效应问题,因此本文将不对此展开专门的研究。综上所述,在计算不确定度时,本文将考虑精度极限及标定过程、数据采集过程、不均匀度和湍流强度引起的偏差极限。值得说明的是,来流不均匀度和湍流强度在试验中难以精准实现,本文将采用先建立数学模型,然后再利用CFD进行研究的方法。为研究分离流,陈作钢等[11]和李金成[12]在CFMS中设计了分隔板。因此,在建立的数学模型中,应考虑分隔板的存在。目前,对于循环水槽、风洞试验段流场不均匀度引起的相关问题研究较少,本文采用CFD方法分析EFD不确定度的一些分量,具备可行性和一定的借鉴意义。

1 EFD不确定度与CFD不确定度理论

在试验和数值计算中,误差不可避免,且鉴于真值的不可知性,总是无法准确得到误差。为了对结果的误差范围进行估计,不确定度分析应运而生。不确定度用于表征合理地赋予被测量值的分散性,通常以一个区间来表示[13]。采用EFD和CFD方法均存在不确定度分析的问题。

1.1 EFD不确定度理论

依据不确定度合成定理,不确定度U由精度极限P和偏差极限B合成得到,表达式为

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