fluent在船舶行业的应用

2017-02-27 by:CAE仿真在线来源:互联网

新世纪以来,我国船舶工业快速发展,取得显著成就,已成为世界最具影响力的造船大国之一。在民用船舶飞速发展的同时,大型军用舰艇的发展更是扬眉吐气。在改造航母“辽宁号”正式服役并逐渐形成战斗力之后,中国真正自主设计制造的第一艘航母,代号为001A工程,已被确定命名为“山东号航空母舰”,预计将在2018年建成。

船舶行业CFD应用是伴随着电子计算机的高速发展,与船舶流体力学相结合的数值模拟产物。船舶行业CFD技术的应用能提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本,因而得到了普遍的重视,是国际船舶界十分活跃的前沿研究课题。

CFD在船舶行业研究现状

在船舶行业,CFD能准确捕捉复杂流动形态及结构;流动区域平均物理量(速度及压力)的预报已达到较高精度;固壁边界的水动力系数(摩擦阻力和粘压阻力系数)的预报已达到一定精度,可用于初步设计、优化设计等工程应用问题;自由表面流动的计算进步较快,波形的预报已经达到相当的精度。

通过CFD计算分析,可以对多个不同的设计方案给出正确的排序。比之单由水池试验,CFD分析的长处是它允许对更宽范围的备选船型方案进行测试。比较理想的做法是,它适合用来选择有希望的备选设计方案作进一步的水池试验。CFD也指明对设计方案进行改进的部位和方法,比如,显示出船身上的压力分布的细节。

船舶阻力计算CFD的解决方案

船舶阻力计算CFD应用需求

船舶的水动力性能(快速性、适航性、操纵性)是由绕船的流场特性而决定,从理论上讲通过求解描述流场特性的流体动力学方程就能对相应的水动力性能做出预报。然而,由于自由面的存在、船体几何形状复杂(特别是船尾)、附体较多,导致自由面水波、流体分离、旋涡等现象的出现,使得流场中的流动结构很复杂,即使有了描述流动过程的微分方程式也不可能得到解析解,因此,长期以来船模试验便成了研究船舶周围流场特性的一个必不可少的手段。然而,船模试验不仅周期长、费用高、很难得到详细的局部流场信息,同时因为尺度效应,船模实际上并不能真实地再现实船的流动情况,存在很大的局限性。新的水动力性能预报手段的引入已十分必要。

船舶阻力的CFD计算尽管存在自由表面、高雷诺数等多种难题,但近30年来通过人们不懈的努力,从势流理论线性计算到非线性计算,从理想流体到粘性流体,从薄边界层到全NS方程的求解,直至考虑自由面的NS方程的求解,CFD方法在计算能力和实用方面都发生了深刻的变化。过去只是在大学和研究机构才有的计算方法,如今已有很多商业化的CFD软件可以应用。

与试验相比CFD数值模拟技术的优势

与试验验证相比,CFD数值模拟技术具有如下特点:信息量大,成本低,易并行化、能快速响应,这使得CFD数值模拟技术在下述方面具有优势:

(1)依靠CFD数值模拟,可以在一定的流动空间范围内给出流场的定量计算结果,便于分析各种流动参数(如Fn数、Re数和流体的物性等)以及几何构造对流动规律的影响,对舰船总体水动力性能实现广参数(较多的参数种类、较宽的参数范围)考察。

(2)可快捷地实现多方案选优。

(3)一体化模拟多部件的组件内外流统一流场,针对如船体螺旋桨(含泵喷、喷推、导管桨等)/舵/附体等对象物,总体上把握整个组件的整体特性,局部上把握各部件自身的整体特性和之间的相互干扰和影响作用,避免了分立地进行部件试验模拟的片面性。

(4)采用全尺度几何模型,在真实物理、几何尺度上计算求解,避免了在水池试验模拟时模型缩尺比带来的长期困扰人们的尺度效应问题。

(5)CFD技术在细观机理考察上,有明显优势。为提高设计方案的性能,船舶科研人员积极探索新技术措施。科研人员利用CFD工具,实现细观观察,取得对新技术措施何以提高性能的机理性理解,方能减少盲目性,能动地改进工作。

(6)与试验结果数据库技术相比,CFD数值模拟技术能适用于开发新船型和特殊船型,在新概念船型、开发上有明显优势。

FLUENT软件计算特点

FLUENT具有丰富的湍流模型

FLENT软件中在工程上常用的涡粘湍流模式有六种,它们分别是:一方程的S-A模型,二方程的标准k-ε模型、RNG k-ε、Realizable k-ε模型、标准的k-ω模型和SST k-ω模型。

由于船舶绕流中存在大曲率弯曲壁面流动,船尾部流场复杂,因此湍流模式的选取对计算结果的精度有很大影响,通过对上述六种湍流模式进行了对比研究,结果表明RNG k-ε和 SST k-ω模型比较适合于船舶粘性流场的数值模拟。

FLUENT具有强大多相流技术

FLUENT标准模块中还包括许多的多相流模型,其中VOF模型(Volume of Fluid)可以用于对界面的预测比较感兴趣的自由表面流动,如海浪、船舶自由液面。Mixture混合相模型下的汽蚀模型已被证实可以很好的应用到水翼艇、船用螺旋桨的空化模拟。

FLUENT具有强大的动网格技术

FLUENT软件的六自由度动网格技术主要用于计算运动壁面边界问题,即计算边界发生位移形变的问题,边界的形变过程可以是已知的,也可以是取决于内部流场变化的。在计算前首先要给定体网格的初始定义,在边界发生形变后,其内部网格的重新划分是在FLUENT内部自动完成的,而边界的形变过程即可以用边界函数来定义,也可以用UDF函数来定义。

该技术常用于船舶在非均匀来流如波浪作用下的6自由度运动(含有船舶晃荡),船舶在水面或水下的回转运动等。

FLUENT具有单、双向流固耦合及参数化技术

该技术可以用于船舶球鼻艏、舵、螺旋桨桨叶、轴套等构件的流固耦合分析,目前已经有相当多的船舶客户开始对船舶的球鼻艏及桨叶进行双向耦合仿真分析。

另外,FLUENT被集成在Workbench平台下后,能方便地对模型、网格尺寸、边界条件等进行参数化分析,能大大提高船舶在初步设计过程中会涉及到的大量系列设计、相似设计的工作效率,即客户只需要计算一种工况,模型或边界条件修改后的工况,软件会自动求解并输出多工况的仿真计算结果。

除了参数化功能外,FLUENT软件还可以结合Workbench平台下DX优化模块,能方便地实现优化分析,即优化船舶来流速度或者攻角,寻找船舶受到的最小阻力。

FLUENT具有强大的后处理技术

ANSYS的CFDPOST后处理模块,具有强大的3D渲染效果;能方便地对模型进行着色、透明、网格显示等处理;能同时显示云图、矢量图、流线图等功能;能方便地做出各变量随时间、空间位置变化的动画;能对多工况进行同步后处理(软件还能自动寻找两种工况的差异),也可以只需要处理一种计算结果,其它的相似工况都可以共享之前的后处理设置,大大提高后处理效率;能自动输出仿真计算报告:含有网格信息、边界条件信息、后处理图片及数据处理等信息。