船舶阻力預(yù)報(bào)的ANSYS FLUENT解決方案

1、船舶阻力預(yù)報(bào)CFD研究現(xiàn)狀

在船舶行業(yè),ANSYS FLUENT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(目前大量文獻(xiàn)計(jì)算的精度是誤差在3%以?xún)?nèi)),可用于初步設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用問(wèn)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?/span>

ANSYS FLUENT一般對(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),ANSYS FLUENT分析的長(zhǎng)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(lái)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)。ANSYS FLUENT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)。

在過(guò)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(jì)算精度已經(jīng)達(dá)到和模型試驗(yàn)相當(dāng)?shù)乃健?/span>ANSYS FLUENT在船舶設(shè)計(jì)中的推動(dòng)作用已經(jīng)初現(xiàn)端倪。計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)、圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)等的發(fā)展,使ANSYS FLUENT從理論到商品化的軟件系統(tǒng),從科研機(jī)構(gòu)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門(mén)的轉(zhuǎn)移成為現(xiàn)實(shí)。

ANSYS FLUENT作為一種歷史性的推動(dòng)力量,已經(jīng)顯示出強(qiáng)大的生命力。如何抓住機(jī)遇,加快ANSYS FLUENT的理論和應(yīng)用研究,重構(gòu)CAD系統(tǒng),革新船舶設(shè)計(jì)的觀念,已是中國(guó)船舶界的當(dāng)務(wù)之急。

2、船舶阻力計(jì)算ANSYS FLUENT的解決方案

1)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(chǎng)特性而決定,從理論上講通過(guò)求解描述流場(chǎng)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(chǎng)中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,即使有了描述流動(dòng)過(guò)程的微分方程式也不可能得到解析解,因此,長(zhǎng)期以來(lái)船模試驗(yàn)便成了研究船舶周?chē)鲌?chǎng)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(zhǎng)、費(fèi)用高、很難得到詳細(xì)的局部流場(chǎng)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。

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluld Dynamics)是在計(jì)算機(jī)上求解描述流體運(yùn)動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)的偏微分方程組,并對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)程模擬。用它來(lái)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究,其主要優(yōu)點(diǎn)是能以較少的費(fèi)用和較短的時(shí)間來(lái)獲得大量有價(jià)值的研究結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)值方法不斷改進(jìn),CFD的計(jì)算精度不斷提高以至滿(mǎn)足工程實(shí)用要求逐漸成為可能,正成為研究船舶水動(dòng)力性能的一種新的、快速而經(jīng)濟(jì)的重要工具。較為成功的應(yīng)用實(shí)例是耐波性的計(jì)算程序的普及,升力線(xiàn)、升力面理論已取代了螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)。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(lái)通過(guò)人們不懈的努力,從勢(shì)流理論線(xiàn)性計(jì)算到非線(xiàn)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(guò)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。

2)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(chǎng)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(lèi)、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(chǎng),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(lái)的長(zhǎng)期困擾人們的尺度效應(yīng)問(wèn)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?？蒲腥藛T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(kù)技術(shù)相比,CFD數(shù)值模擬技術(shù)能適用于開(kāi)發(fā)新船型和特殊船型,在新概念船型、開(kāi)發(fā)上有明顯優(yōu)勢(shì)。

3)ANSYSFLUENT軟件對(duì)于船舶阻力預(yù)報(bào)的實(shí)現(xiàn)流程簡(jiǎn)介

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

對(duì)于低速船的船舶CFD阻力計(jì)算,因?yàn)榕d波阻力較小,通常采用的是“疊?！奔夹g(shù),所謂“疊?！奔夹g(shù),是船舶水動(dòng)力計(jì)算中的一種簡(jiǎn)化方法,即將船舶的水下部分相對(duì)于水線(xiàn)面做鏡面映射,利用重疊圖形的運(yùn)動(dòng)來(lái)代替真實(shí)船舶在具有自由面的液體中的運(yùn)動(dòng),流動(dòng)的剛性邊界也同時(shí)得以反應(yīng)。整個(gè)流動(dòng)以與未受擾動(dòng)帶自由面相一致的水平面為對(duì)稱(chēng)平面。由于船舶在水面運(yùn)動(dòng)的自由表面是未知的,因而,采用重疊船舶計(jì)算船舶真實(shí)流場(chǎng)時(shí)可以不考慮船體興波的影響。

船舶阻力預(yù)報(bào)的CFD實(shí)施方法詳細(xì)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(jì)算域

圖2:實(shí)際船舶外流場(chǎng)流體計(jì)算域

建立三維模型后,針對(duì)船舶的主尺度選取適當(dāng)?shù)牧黧w計(jì)算域,由于船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)左右流場(chǎng)對(duì)稱(chēng),因此選取半個(gè)船體的進(jìn)行計(jì)算,流體域在船前方約一倍船長(zhǎng),向船側(cè)及底部取一倍船長(zhǎng),向船后取四倍船長(zhǎng),整個(gè)流域取為四分之一圓柱體。

(3)網(wǎng)格劃分

圖3:計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格劃分圖

在形成封閉的流體域后就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分了,劃分網(wǎng)格是前處理過(guò)程中最困難的部分,網(wǎng)格單元?jiǎng)澐值暮脡牟粌H決定了求解是否準(zhǔn)確,還決定了求解時(shí)間的長(zhǎng)短和精度。

(4)設(shè)置邊界條件

圖4:邊界條件設(shè)置圖

對(duì)入口處由于試驗(yàn)中給的都是來(lái)流速度,所以在這里也把其設(shè)為速度入口,它是專(zhuān)門(mén)用于不可壓流的。對(duì)控制域出口處由于離船體尾部較遠(yuǎn),其邊界條件也未定,可以假定出口處來(lái)流未受到船體的擾動(dòng)影響,在流域足夠大的情況下,這一假定對(duì)模擬船體附近真實(shí)流場(chǎng)沒(méi)有太大的影響,所以設(shè)定為一般自由出流邊界。而對(duì)船體的對(duì)稱(chēng)面以及水線(xiàn)面都設(shè)定為對(duì)稱(chēng)邊界。對(duì)控制域的其他外邊界處,即固壁,粘性流體的速度滿(mǎn)足無(wú)滑移條件,也就是說(shuō)相對(duì)于壁面速度為零,所以把這些壁面設(shè)定為無(wú)滑移的壁面,它用于限定Fluid和Solid區(qū)域。圖中內(nèi)部邊界,設(shè)定為內(nèi)部面,我們?cè)谇蠼獾臅r(shí)候主要是為了求解船體受力,所以把船體表面也設(shè)為壁面條件。

(5)計(jì)算設(shè)定及求解

n 湍流模式的選取

針對(duì)單體復(fù)合船型模型繞流場(chǎng)的數(shù)值模擬中采用RNG k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。

n 自由面的處理

大量文獻(xiàn)對(duì)單體復(fù)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(jì)算得到的阻力高速時(shí)比試驗(yàn)小,但各方案阻力趨勢(shì)與試驗(yàn)趨勢(shì)一致,分析原因,復(fù)合船型加裝的半潛體在船艏底部,且半潛體較細(xì)長(zhǎng),因此半潛體對(duì)主船體水下干擾較大,各方案半潛體尺寸的改變對(duì)船舶中后體表面壓力影響較大,因此忽略了自由面影響對(duì)單體復(fù)合船型粘性繞流場(chǎng)計(jì)算,可以進(jìn)行方案優(yōu)選用。

n 求解器及求解控制參數(shù)的設(shè)定

該計(jì)算是三維穩(wěn)態(tài)問(wèn)題,采用分離式求解器,采用SIMPLEC算法進(jìn)行壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的耦合求解,對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式。

n 計(jì)算結(jié)果及與試驗(yàn)值的比較

通過(guò)對(duì)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(jì)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(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值比較如圖5。

圖5 粘性計(jì)算與試驗(yàn)比較曲線(xiàn)

由上圖可知航速較低時(shí)計(jì)算值與試驗(yàn)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(jì)算時(shí),自由面被當(dāng)作剛性壁面,而且船的浮態(tài)變化沒(méi)有被考慮,而試驗(yàn)中的船模是自由模型既要興起波浪,其航態(tài)也要發(fā)生變化,隨著航態(tài)的增加,船的浮態(tài)變化就越大,對(duì)阻力的影響就越大,總體來(lái)說(shuō),理論計(jì)算與試驗(yàn)值趨勢(shì)一致。

對(duì)于帶自由液面的高速船船舶阻力預(yù)報(bào)的FLUENT應(yīng)用文獻(xiàn)很多,這里不一一羅列。FLUENT軟件中對(duì)于自由液面提供有VOF方法,由于采用VOF法,除了關(guān)注阻力,還關(guān)注船舶尾跡及興波變化,因此流體計(jì)算域要增大,網(wǎng)格數(shù)目要大幅增加,且VOF法屬于瞬態(tài)計(jì)算,收斂時(shí)間較長(zhǎng),總的計(jì)算時(shí)間比疊模有大幅增加。

鑒于要完成眾多船型方案的阻力優(yōu)選,并且硬件條件及時(shí)間周期的限制,在初步的方案優(yōu)選中建議對(duì)船舶的阻力預(yù)報(bào)采用疊模的方法來(lái)處理。

4)ANSYSFLUENT軟件特點(diǎn)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(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(chǎng)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(guò)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(chǎng)的數(shù)值模擬。

圖6:潛艇的外流場(chǎng)數(shù)值模擬流線(xiàn)圖

2) FLUENT具有強(qiáng)大多相流技術(shù)

多相流混合物廣泛應(yīng)用于工業(yè)中,FLUENT軟件是在多相流建模方面的領(lǐng)導(dǎo)者,其豐富的模擬能力可以幫助工程師洞察設(shè)備內(nèi)那些難以探測(cè)的現(xiàn)象,Eulerian多相流模型通過(guò)分別求解各相的流動(dòng)方程的方法分析相互滲透的各種流體或各相流體,對(duì)于顆粒相流體采用特殊的物理模型進(jìn)行模擬。

FLUENT標(biāo)準(zhǔn)模塊中還包括許多其他的多相流模型,對(duì)于其他的一些多相流流動(dòng),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(jìn)行發(fā)生熱、質(zhì)量及動(dòng)量的交換。

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。

圖7:船舶帶自由液面的阻力計(jì)算

3) 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(wèn)題,即計(jì)算邊界發(fā)生位移形變的問(wèn)題,邊界的形變過(guò)程可以是已知的,也可以是取決于內(nèi)部流場(chǎng)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(guò)程即可以用邊界函數(shù)來(lái)定義,也可以用UDF函數(shù)來(lái)定義。

該技術(shù)常用于船舶在非均勻來(lái)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。

圖8:WIGLEY船型在波浪作用下不同時(shí)刻的自由液面

4) FLUENT具有單、雙向流固耦合及參數(shù)化技術(shù)

2006年ANSYS收購(gòu)FLUENT后,使FLUENT在Workbench平臺(tái)下能方便地與ANSYS結(jié)構(gòu)軟件實(shí)現(xiàn)單、雙向耦合計(jì)算。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(hù)開(kāi)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(guò)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(hù)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(lái)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(duì)某翼型阻力優(yōu)化的仿真分析

5) FLUENT具有強(qiáng)大的后處理技術(shù)

FLUENT被ANSYS收購(gòu)以后新推出的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(xiàn)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(huà);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。

圖10:CFDPOST對(duì)相似工況的同步后處理