fluent在船舶行業(yè)的應(yīng)用

2017-02-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

新世紀(jì)以來,我國船舶工業(yè)快速發(fā)展,取得顯著成就,已成為世界最具影響力的造船大國之一。在民用船舶飛速發(fā)展的同時(shí),大型軍用艦艇的發(fā)展更是揚(yáng)眉吐氣。在改造航母“遼寧號(hào)”正式服役并逐漸形成戰(zhàn)斗力之后,中國真正自主設(shè)計(jì)制造的第一艘航母,代號(hào)為001A工程,已被確定命名為“山東號(hào)航空母艦”,預(yù)計(jì)將在2018年建成。

船舶行業(yè)CFD應(yīng)用是伴隨著電子計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展,與船舶流體力學(xué)相結(jié)合的數(shù)值模擬產(chǎn)物。船舶行業(yè)CFD技術(shù)的應(yīng)用能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本,因而得到了普遍的重視,是國際船舶界十分活躍的前沿研究課題。

CFD在船舶行業(yè)研究現(xiàn)狀

在船舶行業(yè),CFD能準(zhǔn)確捕捉復(fù)雜流動(dòng)形態(tài)及結(jié)構(gòu);流動(dòng)區(qū)域平均物理量(速度及壓力)的預(yù)報(bào)已達(dá)到較高精度;固壁邊界的水動(dòng)力系數(shù)(摩擦阻力和粘壓阻力系數(shù))的預(yù)報(bào)已達(dá)到一定精度,可用于初步設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用問題;自由表面流動(dòng)的計(jì)算進(jìn)步較快,波形的預(yù)報(bào)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)木取?

通過CFD計(jì)算分析,可以對(duì)多個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案給出正確的排序。比之單由水池試驗(yàn),CFD分析的長處是它允許對(duì)更寬范圍的備選船型方案進(jìn)行測(cè)試。比較理想的做法是,它適合用來選擇有希望的備選設(shè)計(jì)方案作進(jìn)一步的水池試驗(yàn)。CFD也指明對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)的部位和方法,比如,顯示出船身上的壓力分布的細(xì)節(jié)。

船舶阻力計(jì)算CFD的解決方案

船舶阻力計(jì)算CFD應(yīng)用需求

船舶的水動(dòng)力性能(快速性、適航性、操縱性)是由繞船的流場特性而決定,從理論上講通過求解描述流場特性的流體動(dòng)力學(xué)方程就能對(duì)相應(yīng)的水動(dòng)力性能做出預(yù)報(bào)。然而,由于自由面的存在、船體幾何形狀復(fù)雜(特別是船尾)、附體較多,導(dǎo)致自由面水波、流體分離、旋渦等現(xiàn)象的出現(xiàn),使得流場中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,即使有了描述流動(dòng)過程的微分方程式也不可能得到解析解,因此,長期以來船模試驗(yàn)便成了研究船舶周圍流場特性的一個(gè)必不可少的手段。然而,船模試驗(yàn)不僅周期長、費(fèi)用高、很難得到詳細(xì)的局部流場信息,同時(shí)因?yàn)槌叨刃?yīng),船模實(shí)際上并不能真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)船的流動(dòng)情況,存在很大的局限性。新的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)手段的引入已十分必要。

船舶阻力的CFD計(jì)算盡管存在自由表面、高雷諾數(shù)等多種難題,但近30年來通過人們不懈的努力,從勢(shì)流理論線性計(jì)算到非線性計(jì)算,從理想流體到粘性流體,從薄邊界層到全NS方程的求解,直至考慮自由面的NS方程的求解,CFD方法在計(jì)算能力和實(shí)用方面都發(fā)生了深刻的變化。過去只是在大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)才有的計(jì)算方法,如今已有很多商業(yè)化的CFD軟件可以應(yīng)用。

與試驗(yàn)相比CFD數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

與試驗(yàn)驗(yàn)證相比,CFD數(shù)值模擬技術(shù)具有如下特點(diǎn):信息量大,成本低,易并行化、能快速響應(yīng),這使得CFD數(shù)值模擬技術(shù)在下述方面具有優(yōu)勢(shì):

(1)依靠CFD數(shù)值模擬,可以在一定的流動(dòng)空間范圍內(nèi)給出流場的定量計(jì)算結(jié)果,便于分析各種流動(dòng)參數(shù)(如Fn數(shù)、Re數(shù)和流體的物性等)以及幾何構(gòu)造對(duì)流動(dòng)規(guī)律的影響,對(duì)艦船總體水動(dòng)力性能實(shí)現(xiàn)廣參數(shù)(較多的參數(shù)種類、較寬的參數(shù)范圍)考察。

(2)可快捷地實(shí)現(xiàn)多方案選優(yōu)。

(3)一體化模擬多部件的組件內(nèi)外流統(tǒng)一流場,針對(duì)如船體螺旋槳(含泵噴、噴推、導(dǎo)管槳等)/舵/附體等對(duì)象物,總體上把握整個(gè)組件的整體特性,局部上把握各部件自身的整體特性和之間的相互干擾和影響作用,避免了分立地進(jìn)行部件試驗(yàn)?zāi)M的片面性。

(4)采用全尺度幾何模型,在真實(shí)物理、幾何尺度上計(jì)算求解,避免了在水池試驗(yàn)?zāi)M時(shí)模型縮尺比帶來的長期困擾人們的尺度效應(yīng)問題。

(5)CFD技術(shù)在細(xì)觀機(jī)理考察上,有明顯優(yōu)勢(shì)。為提高設(shè)計(jì)方案的性能,船舶科研人員積極探索新技術(shù)措施。科研人員利用CFD工具,實(shí)現(xiàn)細(xì)觀觀察,取得對(duì)新技術(shù)措施何以提高性能的機(jī)理性理解,方能減少盲目性,能動(dòng)地改進(jìn)工作。

(6)與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)庫技術(shù)相比,CFD數(shù)值模擬技術(shù)能適用于開發(fā)新船型和特殊船型,在新概念船型、開發(fā)上有明顯優(yōu)勢(shì)。

FLUENT軟件計(jì)算特點(diǎn)

FLUENT具有豐富的湍流模型

FLENT軟件中在工程上常用的渦粘湍流模式有六種,它們分別是:一方程的S-A模型,二方程的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε、Realizable k-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)的k-ω模型和SST k-ω模型。

由于船舶繞流中存在大曲率彎曲壁面流動(dòng),船尾部流場復(fù)雜,因此湍流模式的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度有很大影響,通過對(duì)上述六種湍流模式進(jìn)行了對(duì)比研究,結(jié)果表明RNG k-ε和 SST k-ω模型比較適合于船舶粘性流場的數(shù)值模擬。

FLUENT具有強(qiáng)大多相流技術(shù)

FLUENT標(biāo)準(zhǔn)模塊中還包括許多的多相流模型,其中VOF模型(Volume of Fluid)可以用于對(duì)界面的預(yù)測(cè)比較感興趣的自由表面流動(dòng),如海浪、船舶自由液面。Mixture混合相模型下的汽蝕模型已被證實(shí)可以很好的應(yīng)用到水翼艇、船用螺旋槳的空化模擬。

FLUENT具有強(qiáng)大的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

FLUENT軟件的六自由度動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)主要用于計(jì)算運(yùn)動(dòng)壁面邊界問題,即計(jì)算邊界發(fā)生位移形變的問題,邊界的形變過程可以是已知的,也可以是取決于內(nèi)部流場變化的。在計(jì)算前首先要給定體網(wǎng)格的初始定義,在邊界發(fā)生形變后,其內(nèi)部網(wǎng)格的重新劃分是在FLUENT內(nèi)部自動(dòng)完成的,而邊界的形變過程即可以用邊界函數(shù)來定義,也可以用UDF函數(shù)來定義。

該技術(shù)常用于船舶在非均勻來流如波浪作用下的6自由度運(yùn)動(dòng)(含有船舶晃蕩),船舶在水面或水下的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。

FLUENT具有單、雙向流固耦合及參數(shù)化技術(shù)

該技術(shù)可以用于船舶球鼻艏、舵、螺旋槳槳葉、軸套等構(gòu)件的流固耦合分析,目前已經(jīng)有相當(dāng)多的船舶客戶開始對(duì)船舶的球鼻艏及槳葉進(jìn)行雙向耦合仿真分析。

另外,FLUENT被集成在Workbench平臺(tái)下后,能方便地對(duì)模型、網(wǎng)格尺寸、邊界條件等進(jìn)行參數(shù)化分析,能大大提高船舶在初步設(shè)計(jì)過程中會(huì)涉及到的大量系列設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)的工作效率,即客戶只需要計(jì)算一種工況,模型或邊界條件修改后的工況,軟件會(huì)自動(dòng)求解并輸出多工況的仿真計(jì)算結(jié)果。

除了參數(shù)化功能外,FLUENT軟件還可以結(jié)合Workbench平臺(tái)下DX優(yōu)化模塊,能方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化分析,即優(yōu)化船舶來流速度或者攻角,尋找船舶受到的最小阻力。

FLUENT具有強(qiáng)大的后處理技術(shù)

ANSYS的CFDPOST后處理模塊,具有強(qiáng)大的3D渲染效果;能方便地對(duì)模型進(jìn)行著色、透明、網(wǎng)格顯示等處理;能同時(shí)顯示云圖、矢量圖、流線圖等功能;能方便地做出各變量隨時(shí)間、空間位置變化的動(dòng)畫;能對(duì)多工況進(jìn)行同步后處理(軟件還能自動(dòng)尋找兩種工況的差異),也可以只需要處理一種計(jì)算結(jié)果,其它的相似工況都可以共享之前的后處理設(shè)置,大大提高后處理效率;能自動(dòng)輸出仿真計(jì)算報(bào)告:含有網(wǎng)格信息、邊界條件信息、后處理圖片及數(shù)據(jù)處理等信息。