fluent在船舶行業的應用

2017-02-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

新世紀以來,我國船舶工業快速發展,取得顯著成就,已成為世界最具影響力的造船大國之一。在民用船舶飛速發展的同時,大型軍用艦艇的發展更是揚眉吐氣。在改造航母“遼寧號”正式服役并逐漸形成戰斗力之后,中國真正自主設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”,預計將在2018年建成。

船舶行業CFD應用是伴隨著電子計算機的高速發展,與船舶流體力學相結合的數值模擬產物。船舶行業CFD技術的應用能提高設計質量、縮短設計周期、降低設計成本,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在船舶行業研究現狀

在船舶行業,CFD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,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。

通過CFD計算分析,可以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,CFD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。CFD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。

船舶阻力計算CFD的解決方案

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。

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。

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。

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。

FLUENT具有強大多相流技術

FLUENT標準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。

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。

FLUENT具有單、雙向流固耦合及參數化技術

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。

FLUENT具有強大的后處理技術

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。