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,大型軍用艦艇的發(fā)展更是揚眉吐氣。在改造航母“遼寧號”正式服役并逐漸形成戰(zhàn)斗力之后,中國真正自主設(shè)計制造的第一艘航母,代號為001A工程,已被確定命名為“山東號航空母艦”,預(yù)計將在2018年建成。

船舶行業(yè)CFD應(yīng)用是伴隨著電子計算機(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)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期、降低設(shè)計成本,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)雜流動形態(tài)及結(jié)構(gòu);流動區(qū)域平均物理量(速度及壓力)的預(yù)報已達(dá)到較高精度;固壁邊界的水動力系數(shù)(摩擦阻力和粘壓阻力系數(shù))的預(yù)報已達(dá)到一定精度,可用于初步設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計等工程應(yīng)用問題;自由表面流動的計算進(jìn)步較快,波形的預(yù)報已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)木取?

通過CFD計算分析,可以對多個不同的設(shè)計方案給出正確的排序。比之單由水池試驗,CFD分析的長處是它允許對更寬范圍的備選船型方案進(jìn)行測試。比較理想的做法是,它適合用來選擇有希望的備選設(shè)計方案作進(jìn)一步的水池試驗。CFD也指明對設(shè)計方案進(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)。

船舶阻力計算CFD的解決方案

船舶阻力計算CFD應(yīng)用需求

船舶的水動力性能(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力學(xué)方程就能對相應(yīng)的水動力性能做出預(yù)報。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),使得流場中的流動結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,即使有了描述流動過程的微分方程式也不可能得到解析解,因此,長期以來船模試驗便成了研究船舶周圍流場特性的一個必不可少的手段。然而,船模試驗不僅周期長、費用高、很難得到詳細(xì)的局部流場信息,同時因為尺度效應(yīng),船模實際上并不能真實地再現(xiàn)實船的流動情況,存在很大的局限性。新的水動力性能預(yù)報手段的引入已十分必要。

船舶阻力的CFD計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,從勢流理論線性計算到非線性計算,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方法在計算能力和實用方面都發(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。

與試驗相比CFD數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢

與試驗驗證相比,CFD數(shù)值模擬技術(shù)具有如下特點: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:

(1)依靠CFD數(shù)值模擬,可以在一定的流動空間范圍內(nèi)給出流場的定量計算結(jié)果,便于分析各種流動參數(shù)(如Fn數(shù)、Re數(shù)和流體的物性等)以及幾何構(gòu)造對流動規(guī)律的影響,對艦船總體水動力性能實現(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,針對如船體螺旋槳(含泵噴、噴推、導(dǎo)管槳等)/舵/附體等對象物,總體上把握整個組件的整體特性,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?zāi)M的片面性。

(4)采用全尺度幾何模型,在真實物理、幾何尺度上計算求解,避免了在水池試驗?zāi)M時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。為提高設(shè)計方案的性能,船舶科研人員積極探索新技術(shù)措施?？蒲腥藛T利用CFD工具,實現(xiàn)細(xì)觀觀察,取得對新技術(shù)措施何以提高性能的機(jī)理性理解,方能減少盲目性,能動地改進(jìn)工作。

(6)與試驗結(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。

FLUENT軟件計算特點

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,船尾部流場復(fù)雜,因此湍流模式的選取對計算結(jié)果的精度有很大影響,通過對上述六種湍流模式進(jìn)行了對比研究,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)可以用于對界面的預(yù)測比較感興趣的自由表面流動,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具有強大的動網(wǎng)格技術(shù)

FLUENT軟件的六自由度動網(wǎng)格技術(shù)主要用于計算運動壁面邊界問題,即計算邊界發(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自由度運動(含有船舶晃蕩),船舶在水面或水下的回轉(zhuǎn)運動等。

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平臺下后,能方便地對模型、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)計過程中會涉及到的大量系列設(shè)計、相似設(shè)計的工作效率,即客戶只需要計算一種工況,模型或邊界條件修改后的工況,軟件會自動求解并輸出多工況的仿真計算結(jié)果。

除了參數(shù)化功能外,FLUENT軟件還可以結(jié)合Workbench平臺下DX優(yōu)化模塊,能方便地實現(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具有強大的后處理技術(shù)

ANSYS的CFDPOST后處理模塊,具有強大的3D渲染效果;能方便地對模型進(jìn)行著色、透明、網(wǎng)格顯示等處理;能同時顯示云圖、矢量圖、流線圖等功能;能方便地做出各變量隨時間、空間位置變化的動畫;能對多工況進(jìn)行同步后處理(軟件還能自動尋找兩種工況的差異),也可以只需要處理一種計算結(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;能自動輸出仿真計算報告: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。