船舶阻力预报的ANSYS FLUENT解决方案

1、船舶阻力预报CFD研究现状

在船舶行业,ANSYS FLUENT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(目前大量文献计算的精度是误差在3%以内),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。

ANSYS FLUENT一般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,ANSYS FLUENT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。ANSYS FLUENT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。

在过去的20多年中,ANSYS FLUENT在理论研究上不断取得突破,某些ANSYS FLUENT方法的计算精度已经达到和模型试验相当的水平。ANSYS FLUENT在船舶设计中的推动作用已经初现端倪。计算机硬件、网络、图形学、数据库等的发展,使ANSYS FLUENT从理论到商品化的软件系统,从科研机构到生产设计部门的转移成为现实。

ANSYS FLUENT作为一种历史性的推动力量,已经显示出强大的生命力。如何抓住机遇,加快ANSYS FLUENT的理论和应用研究,重构CAD系统,革新船舶设计的观念,已是中国船舶界的当务之急。

2、船舶阻力计算ANSYS FLUENT的解决方案

1)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。

计算流体力学(Computational Fluld Dynamics)是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组,并对上述现象进行过程模拟。用它来进行流体动力学的基础研究,其主要优点是能以较少的费用和较短的时间来获得大量有价值的研究结果。随着计算机技术的飞速发展,数值方法不断改进,CFD的计算精度不断提高以至满足工程实用要求逐渐成为可能,正成为研究船舶水动力性能的一种新的、快速而经济的重要工具。较为成功的应用实例是耐波性的计算程序的普及,升力线、升力面理论已取代了螺旋桨图谱设计。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。

2)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。

3)ANSYSFLUENT软件对于船舶阻力预报的实现流程简介

考虑自由液面时,船舶的阻力分为:兴波阻力、粘压阻力、摩擦阻力。对于低速船摩擦阻力70%~80%,粘压阻力10%以上,兴波阻力很小;对于高速船兴波阻力40%~50%,摩擦阻力50%,粘压阻力5%。

对于低速船的船舶CFD阻力计算,因为兴波阻力较小,通常采用的是“叠模”技术,所谓“叠模”技术,是船舶水动力计算中的一种简化方法,即将船舶的水下部分相对于水线面做镜面映射,利用重叠图形的运动来代替真实船舶在具有自由面的液体中的运动,流动的刚性边界也同时得以反应。整个流动以与未受扰动带自由面相一致的水平面为对称平面。由于船舶在水面运动的自由表面是未知的,因而,采用重叠船舶计算船舶真实流场时可以不考虑船体兴波的影响。

船舶阻力预报的CFD实施方法详细步骤如下:

(1)建立船舶水下部分的几何模型

图1:船舶自由液面以下的船体部分

(2)建立几何流体计算域

图2:实际船舶外流场流体计算域

建立三维模型后,针对船舶的主尺度选取适当的流体计算域,由于船舶运动时左右流场对称,因此选取半个船体的进行计算,流体域在船前方约一倍船长,向船侧及底部取一倍船长,向船后取四倍船长,整个流域取为四分之一圆柱体。

(3)网格划分

图3:计算域内的网格划分图

在形成封闭的流体域后就可以进行网格划分了,划分网格是前处理过程中最困难的部分,网格单元划分的好坏不仅决定了求解是否准确,还决定了求解时间的长短和精度。

(4)设置边界条件

图4:边界条件设置图

对入口处由于试验中给的都是来流速度,所以在这里也把其设为速度入口,它是专门用于不可压流的。对控制域出口处由于离船体尾部较远,其边界条件也未定,可以假定出口处来流未受到船体的扰动影响,在流域足够大的情况下,这一假定对模拟船体附近真实流场没有太大的影响,所以设定为一般自由出流边界。而对船体的对称面以及水线面都设定为对称边界。对控制域的其他外边界处,即固壁,粘性流体的速度满足无滑移条件,也就是说相对于壁面速度为零,所以把这些壁面设定为无滑移的壁面,它用于限定Fluid和Solid区域。图中内部边界,设定为内部面,我们在求解的时候主要是为了求解船体受力,所以把船体表面也设为壁面条件。

(5)计算设定及求解

n 湍流模式的选取

针对单体复合船型模型绕流场的数值模拟中采用RNG k-ε模型进行计算。

n 自由面的处理

大量文献对单体复合船型的静水阻力采用了叠模的方法即忽略了自由面的影响,计算得到的阻力高速时比试验小,但各方案阻力趋势与试验趋势一致,分析原因,复合船型加装的半潜体在船艏底部,且半潜体较细长,因此半潜体对主船体水下干扰较大,各方案半潜体尺寸的改变对船舶中后体表面压力影响较大,因此忽略了自由面影响对单体复合船型粘性绕流场计算,可以进行方案优选用。

n 求解器及求解控制参数的设定

该计算是三维稳态问题,采用分离式求解器,采用SIMPLEC算法进行压力场和速度场的耦合求解,对流项的离散采用二阶迎风格式。

n 计算结果及与试验值的比较

通过对某深V母船型船V0和加半潜体方案v1的1:25模型采用上述求解方案分别计算在航速为1.543m/s,2.469m/s,3.086m/s,3.601m/s,5.144m/s下的静水阻力值,计算结果与试验值比较如图5。

图5 粘性计算与试验比较曲线

由上图可知航速较低时计算值与试验值较接近,航速越高误差越大,分析原因是由于自由面采用叠模方法计算时,自由面被当作刚性壁面,而且船的浮态变化没有被考虑,而试验中的船模是自由模型既要兴起波浪,其航态也要发生变化,随着航态的增加,船的浮态变化就越大,对阻力的影响就越大,总体来说,理论计算与试验值趋势一致。

对于带自由液面的高速船船舶阻力预报的FLUENT应用文献很多,这里不一一罗列。FLUENT软件中对于自由液面提供有VOF方法,由于采用VOF法,除了关注阻力,还关注船舶尾迹及兴波变化,因此流体计算域要增大,网格数目要大幅增加,且VOF法属于瞬态计算,收敛时间较长,总的计算时间比叠模有大幅增加。

鉴于要完成众多船型方案的阻力优选,并且硬件条件及时间周期的限制,在初步的方案优选中建议对船舶的阻力预报采用叠模的方法来处理。

4)ANSYSFLUENT软件特点及解决方案

1) 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。

图6:潜艇的外流场数值模拟流线图

2) FLUENT具有强大多相流技术

多相流混合物广泛应用于工业中,FLUENT软件是在多相流建模方面的领导者,其丰富的模拟能力可以帮助工程师洞察设备内那些难以探测的现象,Eulerian多相流模型通过分别求解各相的流动方程的方法分析相互渗透的各种流体或各相流体,对于颗粒相流体采用特殊的物理模型进行模拟。

FLUENT标准模块中还包括许多其他的多相流模型,对于其他的一些多相流流动,如喷雾干燥器、煤粉高炉、液体燃料喷雾,可以使用离散相模型(DPM)。射入的粒子,泡沫及液滴与背景流之间进行发生热、质量及动量的交换。

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。

图7:船舶带自由液面的阻力计算

3) 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。

图8:WIGLEY船型在波浪作用下不同时刻的自由液面

4) FLUENT具有单、双向流固耦合及参数化技术

2006年ANSYS收购FLUENT后,使FLUENT在Workbench平台下能方便地与ANSYS结构软件实现单、双向耦合计算。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。

图9:基于FLUENT软件对某翼型阻力优化的仿真分析

5) FLUENT具有强大的后处理技术

FLUENT被ANSYS收购以后新推出的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。

图10:CFDPOST对相似工况的同步后处理