1、船舶阻力預報CFD研究現狀

在船舶行業,ANSYS FLUENT能準確捕捉復雜流動形態及結構;流動區域平均物理量(速度及壓力)的預報已達到較高精度;固壁邊界的水動力系數(摩擦阻力和粘壓阻力系數)的預報已達到一定精度(目前大量文獻計算的精度是誤差在3%以內),可用于初步設計、優化設計等工程應用問題;自由表面流動的計算進步較快,波形的預報已經達到相當的精度。

ANSYS FLUENT一般對多個不同的設計方案給出正確的排序。比之單由水池試驗,ANSYS FLUENT分析的長處是它允許對更寬范圍的備選船型方案進行測試。比較理想的做法是,它適合用來選擇有希望的備選設計方案作進一步的水池試驗。ANSYS FLUENT也指明對設計方案進行改進的部位和方法,比如,顯示出船身上的壓力分布的細節。

在過去的20多年中,ANSYS FLUENT在理論研究上不斷取得突破,某些ANSYS FLUENT方法的計算精度已經達到和模型試驗相當的水平。ANSYS FLUENT在船舶設計中的推動作用已經初現端倪。計算機硬件、網絡、圖形學、數據庫等的發展,使ANSYS FLUENT從理論到商品化的軟件系統,從科研機構到生產設計部門的轉移成為現實。

ANSYS FLUENT作為一種歷史性的推動力量,已經顯示出強大的生命力。如何抓住機遇,加快ANSYS FLUENT的理論和應用研究,重構CAD系統,革新船舶設計的觀念,已是中國船舶界的當務之急。

2、船舶阻力計算ANSYS FLUENT的解決方案

1)船舶阻力計算CFD應用需求

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方程就能對相應的水動力性能做出預報。然而,由于自由面的存在、船體幾何形狀復雜(特別是船尾)、附體較多,導致自由面水波、流體分離、旋渦等現象的出現,使得流場中的流動結構很復雜,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、很難得到詳細的局部流場信息,同時因為尺度效應,船模實際上并不能真實地再現實船的流動情況,存在很大的局限性。新的水動力性能預報手段的引入已十分必要。

計算流體力學(Computational Fluld Dynamics)是在計算機上求解描述流體運動、傳熱和傳質的偏微分方程組,并對上述現象進行過程模擬。用它來進行流體動力學的基礎研究,其主要優點是能以較少的費用和較短的時間來獲得大量有價值的研究結果。隨著計算機技術的飛速發展,數值方法不斷改進,CFD的計算精度不斷提高以至滿足工程實用要求逐漸成為可能,正成為研究船舶水動力性能的一種新的、快速而經濟的重要工具。較為成功的應用實例是耐波性的計算程序的普及,升力線、升力面理論已取代了螺旋槳圖譜設計。船舶阻力的CFD計算盡管存在自由表面、高雷諾數等多種難題,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生了深刻的變化。過去只是在大學和研究機構才有的計算方法,如今已有很多商業化的CFD軟件可以應用。

2)與試驗相比CFD數值模擬技術的優勢

與試驗驗證相比,CFD數值模擬技術具有如下特點:信息量大,成本低,易并行化、能快速響應,這使得CFD數值模擬技術在下述方面具有優勢:

(1)依靠CFD數值模擬,可以在一定的流動空間范圍內給出流場的定量計算結果,便于分析各種流動參數(如Fn數、Re數和流體的物性等)以及幾何構造對流動規律的影響,對艦船總體水動力性能實現廣參數(較多的參數種類、較寬的參數范圍)考察。

(2)可快捷地實現多方案選優。

(3)一體化模擬多部件的組件內外流統一流場,針對如船體螺旋槳(含泵噴、噴推、導管槳等)/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,避免了分立地進行部件試驗模擬的片面性。

(4)采用全尺度幾何模型,在真實物理、幾何尺度上計算求解,避免了在水池試驗模擬時模型縮尺比帶來的長期困擾人們的尺度效應問題。

(5)CFD技術在細觀機理考察上,有明顯優勢。為提高設計方案的性能,船舶科研人員積極探索新技術措施。科研人員利用CFD工具,實現細觀觀察,取得對新技術措施何以提高性能的機理性理解,方能減少盲目性,能動地改進工作。

(6)與試驗結果數據庫技術相比,CFD數值模擬技術能適用于開發新船型和特殊船型,在新概念船型、開發上有明顯優勢。

3)ANSYSFLUENT軟件對于船舶阻力預報的實現流程簡介

考慮自由液面時,船舶的阻力分為:興波阻力、粘壓阻力、摩擦阻力。對于低速船摩擦阻力70%~80%,粘壓阻力10%以上,興波阻力很小;對于高速船興波阻力40%~50%,摩擦阻力50%,粘壓阻力5%。

對于低速船的船舶CFD阻力計算,因為興波阻力較小,通常采用的是“疊模”技術,所謂“疊模”技術,是船舶水動力計算中的一種簡化方法,即將船舶的水下部分相對于水線面做鏡面映射,利用重疊圖形的運動來代替真實船舶在具有自由面的液體中的運動,流動的剛性邊界也同時得以反應。整個流動以與未受擾動帶自由面相一致的水平面為對稱平面。由于船舶在水面運動的自由表面是未知的,因而,采用重疊船舶計算船舶真實流場時可以不考慮船體興波的影響。

船舶阻力預報的CFD實施方法詳細步驟如下:

(1)建立船舶水下部分的幾何模型

圖1:船舶自由液面以下的船體部分

(2)建立幾何流體計算域

圖2:實際船舶外流場流體計算域

建立三維模型后,針對船舶的主尺度選取適當的流體計算域,由于船舶運動時左右流場對稱,因此選取半個船體的進行計算,流體域在船前方約一倍船長,向船側及底部取一倍船長,向船后取四倍船長,整個流域取為四分之一圓柱體。

(3)網格劃分

圖3:計算域內的網格劃分圖

在形成封閉的流體域后就可以進行網格劃分了,劃分網格是前處理過程中最困難的部分,網格單元劃分的好壞不僅決定了求解是否準確,還決定了求解時間的長短和精度。

(4)設置邊界條件

圖4:邊界條件設置圖

對入口處由于試驗中給的都是來流速度,所以在這里也把其設為速度入口,它是專門用于不可壓流的。對控制域出口處由于離船體尾部較遠,其邊界條件也未定,可以假定出口處來流未受到船體的擾動影響,在流域足夠大的情況下,這一假定對模擬船體附近真實流場沒有太大的影響,所以設定為一般自由出流邊界。而對船體的對稱面以及水線面都設定為對稱邊界。對控制域的其他外邊界處,即固壁,粘性流體的速度滿足無滑移條件,也就是說相對于壁面速度為零,所以把這些壁面設定為無滑移的壁面,它用于限定Fluid和Solid區域。圖中內部邊界,設定為內部面,我們在求解的時候主要是為了求解船體受力,所以把船體表面也設為壁面條件。

(5)計算設定及求解

n 湍流模式的選取

針對單體復合船型模型繞流場的數值模擬中采用RNG k-ε模型進行計算。

n 自由面的處理

大量文獻對單體復合船型的靜水阻力采用了疊模的方法即忽略了自由面的影響,計算得到的阻力高速時比試驗小,但各方案阻力趨勢與試驗趨勢一致,分析原因,復合船型加裝的半潛體在船艏底部,且半潛體較細長,因此半潛體對主船體水下干擾較大,各方案半潛體尺寸的改變對船舶中后體表面壓力影響較大,因此忽略了自由面影響對單體復合船型粘性繞流場計算,可以進行方案優選用。

n 求解器及求解控制參數的設定

該計算是三維穩態問題,采用分離式求解器,采用SIMPLEC算法進行壓力場和速度場的耦合求解,對流項的離散采用二階迎風格式。

n 計算結果及與試驗值的比較

通過對某深V母船型船V0和加半潛體方案v1的1:25模型采用上述求解方案分別計算在航速為1.543m/s,2.469m/s,3.086m/s,3.601m/s,5.144m/s下的靜水阻力值,計算結果與試驗值比較如圖5。

圖5 粘性計算與試驗比較曲線

由上圖可知航速較低時計算值與試驗值較接近,航速越高誤差越大,分析原因是由于自由面采用疊模方法計算時,自由面被當作剛性壁面,而且船的浮態變化沒有被考慮,而試驗中的船模是自由模型既要興起波浪,其航態也要發生變化,隨著航態的增加,船的浮態變化就越大,對阻力的影響就越大,總體來說,理論計算與試驗值趨勢一致。

對于帶自由液面的高速船船舶阻力預報的FLUENT應用文獻很多,這里不一一羅列。FLUENT軟件中對于自由液面提供有VOF方法,由于采用VOF法,除了關注阻力,還關注船舶尾跡及興波變化,因此流體計算域要增大,網格數目要大幅增加,且VOF法屬于瞬態計算,收斂時間較長,總的計算時間比疊模有大幅增加。

鑒于要完成眾多船型方案的阻力優選,并且硬件條件及時間周期的限制,在初步的方案優選中建議對船舶的阻力預報采用疊模的方法來處理。

4)ANSYSFLUENT軟件特點及解決方案

1) 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,二方程的標準k-ε模型、RNG k-ε、Realizable k-ε模型、標準的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,船尾部流場復雜,因此湍流模式的選取對計算結果的精度有很大影響,通過對上述六種湍流模式進行了對比研究,結果表明RNG k-ε和 SST k-ω模型比較適合于船舶粘性流場的數值模擬。

圖6:潛艇的外流場數值模擬流線圖

2) FLUENT具有強大多相流技術

多相流混合物廣泛應用于工業中,FLUENT軟件是在多相流建模方面的領導者,其豐富的模擬能力可以幫助工程師洞察設備內那些難以探測的現象,Eulerian多相流模型通過分別求解各相的流動方程的方法分析相互滲透的各種流體或各相流體,對于顆粒相流體采用特殊的物理模型進行模擬。

FLUENT標準模塊中還包括許多其他的多相流模型,對于其他的一些多相流流動,如噴霧干燥器、煤粉高爐、液體燃料噴霧,可以使用離散相模型(DPM)。射入的粒子,泡沫及液滴與背景流之間進行發生熱、質量及動量的交換。

VOF模型(Volume of Fluid)可以用于對界面的預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用到水翼艇、船用螺旋槳的空化模擬。

圖7:船舶帶自由液面的阻力計算

3) FLUENT具有強大的動網格技術

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

該技術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運動等。

圖8:WIGLEY船型在波浪作用下不同時刻的自由液面

4) FLUENT具有單、雙向流固耦合及參數化技術

2006年ANSYS收購FLUENT后,使FLUENT在Workbench平臺下能方便地與ANSYS結構軟件實現單、雙向耦合計算。該技術可以用于船舶球鼻艏、舵、螺旋槳槳葉、軸套等構件的流固耦合分析,目前已經有相當多的船舶客戶開始對船舶的球鼻艏及槳葉進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、網格尺寸、邊界條件等進行參數化分析,能大大提高船舶在初步設計過程中會涉及到的大量系列設計、相似設計的工作效率,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果。

除了參數化功能外,FLUENT軟件還可以結合Workbench平臺下DX優化模塊,能方便地實現優化分析,即優化船舶來流速度或者攻角,尋找船舶受到的最小阻力。

圖9:基于FLUENT軟件對某翼型阻力優化的仿真分析

5) FLUENT具有強大的后處理技術

FLUENT被ANSYS收購以后新推出的CFDPOST后處理模塊,具有強大的3D渲染效果;能方便地對模型進行著色、透明、網格顯示等處理;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果,其它的相似工況都可以共享之前的后處理設置,大大提高后處理效率;能自動輸出仿真計算報告:含有網格信息、邊界條件信息、后處理圖片及數據處理等信息。

圖10:CFDPOST對相似工況的同步后處理