0
1 голосов
Морская CFD [Ответы] часть 1
Автор:
Nicos
,
27 июля 2017
·
1 066 просмотров
В теме ''Ответы'' писать не о чем, так как отсутствуют комментарии на ранее изложенные посты.По этой причине на суд читателя выкладываю переводную статью [перевод мой, по этому прошу не судить строго] по теме CFD.
Эта статья для меня важна тем, что она косвенно подтверждает мою правоту в споре пяти летней давности на форуме.
Тогда речь шла о том, что можно или нет доверять результатам CFD на сто процентов, тем самым отказаться от испытаний модели в опытовом бассейне. От серьезных людей звучали предложения о том, что лучше привязать к модельке веревку и тянуть ее по лужам, и это, якобы было-бы намного эффективней CFD. Тогда не о чем не договорились и каждый остался при своем мнении,Я,кстати, своей позиции до сих пор не поменял. Это было предисловие, а вот и статья..
Azcueta R., Rousselon N., 2009, "CFD Applied to Super and Mega Yacht Design", paper presented at the Design, Construction and Operation of Super and Mega Yachts Conference, April 2009, Genova,
Italyhttp://www.cape-horn...om/publications
КОРОЛЕВСКИЙ ИНСТИТУТ МОРСКИХ АРХИТЕКТОРОВ
ПРИКЛАДНAЯ CFD В ДИЗАЙНЕ СУПЕР И МЕГА-ЯХТ.
R Azcueta и N Rousselon, Cape Horn Engineering, Испания.
РЕЗЮМЕ
В настоящей статье представлено применение современных методов моделирования вычислений динамики (CFD) для парусных и
моторных яхт. Она нацелена на демонстрацию того, что симуляции являются хорошей альтернативой промышленным испытаниям супер и мега яхт.Моделирование основано на опыте, накопленном за последние несколько лет, проведения высокоэффективных гонок лодок на
Кубок Америки, Volvo Ocean Race и морской Формулы-1. CFD является одной из новых технологий, которые могут, как это было сделано в автомобильной промышленности, успешно перенесены из гоночной среды в промышленность. В частности, индустрия супер и мега яхт теперь может извлечь выгоду из последних достижений CFD. В этой статье представлена общая философия дизайна яхт, основанная на симуляциях и ее применении к обычной моторной лодке и большой парусной яхте.
1. ВВЕДЕНИЕ
Успех, полученный в результате применения кодов RANS в симуляциях потока со свободной поверхностью к дизайну высокоэффективных гонок , особенно в Кубке Америки и Volvo Ocean Race, кампании в последние годы неоспорим. Результаты, достигнутые в рамках этих кампаний по аэро и гидродинамике, придают все больше уверенности, что моделирование ситуаций, грамотно применяемой, может быть превосходной альтернативой традиционным опытовым бассейнам или испытаниям в аэродинамической трубе. Моделирование, разработанное для Кубка Америки в открытом бассейне требует тщательного тестирования и проверки.
Разница Между двумя проектными кандидатами может быть в два раза меньше, чем ошибка эксперимента при работе в одном и том-же буксировочном бассейне.
В последнее время ведущие отраслевые проекты, в которых участвовали авторы, были связаны только с симуляцией в CFD.
Авторы пропустили традиционные буксировочные и аэродинамические испытания в пользу исключительно философии дизайна на основе CFD. Наши моделирования дешевле, быстрее и надежнее, чем традиционные тесты.Моделирование выполняется в полном масштабе, что
исключает неотъемлемую ошибку масштабирования результатов теста. Улучшенная визуализация потока и разложение сил
дает дизайнерам гораздо большее понимание явления потока . Эта относительно новая технология теперь может быть успешно взята из гоночной среды и применена в индустрии супер и мега яхт, а также в морской области в целом.
Обычно супер и мега яхты не предназначены для гонок, в то время как основное внимание уделяется комфорту, простоте использования и эстетики при сохранении разумной эффективности. Моделирование CFD может успешно удовлетворять требованиям
балансировки парусных яхт, поведения в волнах или другим условиям, влияющим на комфорт пассажиров.
В этой статье мы опишем
сначала основные численные методы , затем объясним общий дизайн на основе философии CFD для парусных яхт высокой эффективности и наконец, покажем несколько примеров применения для супер и мега-яхты.
2. ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД
Для наших симуляций мы используем коммерческие коды RANS от CD-adapco: Comet и Star-Ccm +. Мы использовали Comet более 10 лет с отличным успехом. Фокусирование теперь в основном направлено на использование StarCcm +, которая основывается на сильных разработках более надежного, удобного для пользователя пакета, который включает в себя новейшие физические модели и решающую технологию (Модели турбулентности, модели перехода, кавитация, 6 степеней свободы движения тела, интегрированной неструктурированной подход к объемный поли и триммер сетки , и т.д).
Оба кода показали, что они очень гибкие и эффективные Использовании благодаря пользовательскому программированию (Comet посредством Фортран или кодирование и Star-CCM + через Java Фортран или пользовательское C кодирование в Star-CCM + через Java API). Comet, при использовании своих численных возможностей на основе ячеек все еще наш инструмент выбора для очень точной и быстрой загрузки (Для оценки небольших изменений конструкции ). Star-CCM + лучше ориентирована на сложные геометрии и сложную физику.
Численные вычисления для морских применений включают Coupled solver потока RANS (возможность со свободной поверхностью) с решателем движения тела [6 DOF] и решателем движения [Overset Mesh] деформации сетки[ Морфер]. Уравнения RANS решается с использованием метода конечных объемов. Оба решателя обрабатывают любые типы ячеек и топологию, включая многогранные элементы.
Вязкие растворы требуют уточнения размера сетки у стены. Две модели турбулентности, К-епсилон и k-omega, наряду с
функциями стены, обычно используется для уменьшения вычислительного времени, тогда как сохраняют адекватную точность.
Точность второго порядка в пространстве (граничные значения и Градиенты) достигается за счет использования передовых методов интерполяции.
Моделирование Свободной поверхности уже давно является сильной стороной Comet. Comet и Star-Ccm + обе используют аналогичный подход захвата интерфейса: моделируется свободная поверхность используя объем жидкости (VoF). Интерфейс воздух-вода
поддерживается с использованием высококачественной схема адвекции , основанной на захвате интерфейса высокого разрешения.
Для задач взаимодействия жидкости c телом уравнения движение решаются с помощью решателя движения тела. Ориентация тела в результате действия динамики сил (вязкие и динамические силы) определяется интегрированными уравнениями линейного и углового моментов. Внешние силы и моменты ( движение с парусом или с винтом) добавляются во время этого шаг. Основные симуляции свободное всплытие и дифферент (2-DoF), в то время как более продвинутые симуляции ( маневрирование) могут быть полностью свободными (6-DoF с перемещением по поверхности).
В случаях, когда динамические результаты не нужны ( устойчивое моделирование в спокойной воде), используются методы для уменьшения общего вычислительного времени, будь то в спокойной воде или в волнах, мы предпочитаем использовать стратегию движущейся сетки при решении для 1 DoF движения. Сетка не деформируется, а перемещается. Эта является надежным (большое движение не ухудшает качество сетки) и быстрым методом (без деформации ) для обработки движение лодки.
Все наши симуляции обрабатываются параллельно на нашем кластере c 436 процессорными ядрами. Мы можем запускать более ста симуляций в день.
3. ДИЗАЙН НА ОСНОВЕ CFD
Компания Cape Horn Engineering участвует в гонках Volvo Океан Race и в Кубке Америки с проектом Juan Yacht Design с 2003 года.
В первых кампаниях, ABN Amro и BMW Oracle Racing, проводилась тщательная проверка с испытаниями в бассейне . В теперешних кампаниях, Ericsson Racing Team для Volvo и Team Origin на Кубок Америки , весь дизайн основан на симуляциях CFD.
Ниже приводится описание нашей философии дизайна для хорошо финансируемой кампании Ericsson Racing Team.
Все моделирование гидродинамики и аэродинамики работает в отдельности. Гидродинамическое моделирование используется для
исследования формы корпуса, поведение яхт в волнах и формы придатков. В начале процесса проектирования , аэродинамическое моделирование используется для определения силы действующей на паруса, которые, в свою очередь, используются как ввод данных для гидродинамического моделирования. Позже мы возвращаемся к аэродинамическому моделированию с целью оптимизации формы паруса и исследования новых концепций паруса.
Наши гидродинамические расчеты выполняются с использованием полноразмерного корпуса и всех придатков. В аэродинамическом моделирования мы используем всю геометрию выше поверхности воды , включая паруса, мачту, надстройки, палубу и корпус.
Для анализа парусности мы используем параметрическое моделирование и коды (FSI). В параметрическом моделировании
мы используем CFD, чтобы найти оптимальную форму аэродинамического паруса. Затем дизайнеры разрабатывают парус с соответствующими структурными элементами для достижения оптимальной «летающая» формы. Параметрическое изменение выполняется используя предопределенную матрицу или включая алгоритм оптимизации. В моделях FSI, CFD-код вычисляет давление в модели конечных элементов, используя которое вычисляют затем деформирование формы паруса. Новая деформированная форма парусов подготавливается дизайнером и возвращается в CFD моделирование. Этот цикл повторяется четыре-пять раз, пока не будет достигнута конвергенция
В исследованиях формы корпуса мы используем полную модель с набором придатков. Используем набор эталонных корпусов и изменений концепций, форм, позиций и ориентации. Каждый вариант оценивается путем сравнения полученного результата forces (сопротивление, боковое усилие, моменты крена и рыскания) и сравнение характеристик потока с использованием линий тока и других визуальных методов.
Лодки класса Volvo 70 представляют новый, очень сложный, проблемный дизайн. По сравнению с предыдущим Кубком Америки
в яхтах много различных изменений дизайна; Volvo 70-х годов разработаны с учетом правил буксировки и опыта собранного
со всего мира. Диапазоны скорости лодки от 6 узлов в качестве перемещения корпуса до 30 узлов в режиме серфинга. Лодка также имеет киль и водяной балласт, который смещает центра тяжести лодки. Все это приводят к очень большим тестовым матрицам. По этому CFD и становится очень привлекательным: каждая переменная обычно может меняться просто путем изменения числа и запуска симуляция снова.
Наша программа исследований формы корпуса довольно обширна.Разработка дизайна начинается с обеспечения необходимой поперечной остойчивости при осадке по ватерлинию. Затем мы получаем коэффициент силы, действующей на паруса, с использованием нашего собственного аэродинамического моделирования. Различные паруса испытываются для плавание в легких и тяжелых условиях. Это важно, особенно для очень широких лодок, поскольку силы действующие на паруса могут оказать большое влияние на продольный дифферент, изменяющий сопротивление.
Исследование формы корпуса продолжается с изучения объемного распределения, призматического коэффициента, ширины транца и осадки, и т. д. Форма корпуса сопоставляется с формами исходных корпусов и их производными. Это позволяет легко анализировать тенденции и эффективность в выборе окончательный формы корпуса. После выбирается финальный корпус, и чертежи отправляются строителям, а исследования продолжаются с придатками и парусами. Мы исследуем размер, форму и положение киля, бульба, рулей и швертов. Мы корректируем поперечный крен, продольный дифферент, выравниваем ось наклона киля (если допускается классом) , угол атаки шверта, и т. д. .
Затем лодки-кандидаты проходят через симуляцию гонок и определяется, какой дизайн лучше. Для прогнозирования скорости или для анализа компромиссов таких как остойчивость и сопротивление таких, а также для определения оптимальной балансировки используется программа VPP. Программа Router моделирует лучший курс для каждой лодки используя статистические метеорологические данные для соответствующих районов мира, а затем сравнивает время, необходимое для завершения гонки для каждого корпуса. Таким образом, определяется общий победитель гонки. Другие варианты дизайна , такие как положение шверта, являются более простым анализом и, как правило, достаточно сравнить величину сопротивления при заданной боковой силе, чтобы сделать выводы.
Во многих случаях проверка дизайна парусов и придатков, а так-же водоизмещения, проводится реальное тестирование на пробной лодке в реальных условиях парусного спорта. Во время этого периода обучения на воде мы получаем ценную информацию из реального мира, которая заставляет нас быть мотивированными и целенаправленными. Наконец, проводится набор симуляций для исследования динамики корпуса лодки конечного кандидата . Эти симуляции подтверждают, что хорошо в спокойствии Вода не становится пагубной в волнах. В отличие от испытаний в опытовом бассейне, никаких упрощений не требуется: в наших симуляциях, любое направление волны разрешено, моделирование лодки производится в полном масштабе, центр тяжести находится в правильном положении и значения моментов инерции будут фактически примерно оценены.
4. ПРИМЕНЕНИЕ В МЕГА ЯХТАХ
Форма корпуса этой лодки с использованием поперечных реданов имеет относительно сложные обводы, [ см. Рисунок 1.]На рисунке 2 показаны контуры давления на корпусе при скорости лодки 29 узлов. На рисунке 3 показан график величины давления вдоль осевой линии корпуса, видны типичное пики давления.
Скорость меняется от низкой, в режиме перемещения, до высоких скоростей в условиях глиссирования. Динамический всплытие и дифферент корпуса имеют первостепенное значение в диапазоне высоких скоростей. Для значений диапазонов всплытия и погружения были также проведены моделирования для различных скоростей лодок, показаны на рисунке 4. Особое внимание уделяется добавлению сопротивления и забрызгиванию водой палубы при движении по волнам[рис.5]. Движение лодки в волнах оценивали освобождая от 2 до 4 DoF.
4. SPEEDBOAT
«Speedboat» называется парусная яхта, рассчитанная на движение с высокими скоростями . Она представляет собой 100-футовую килевую яхту, с двумя рулями и очень широкой и мощной формой корпуса, см. Рисунок 6.
16 апреля 2008 года в Окленде была спущена на воду скоростная яхта. И в тот же день прошли структурные испытания парусника, которые продемонстрировали идеально сбалансированный проект парусника и придатков. Такое результат был бы невозможен без использования разработка аэро- и гидромодулей CFD и программы VPP [Программа Прогнозирования Скорости].
Сегодня ''Speedboat'', вероятно, самая быстрая однокорпусная парусная лодка на планете. Моделирование, проведенное для ''Speedboat'', нацеленно на создание хорошо сбалансированной лодки, оценки проекта парусника и придатков, см. Рисунок 7.
Сотни точек моделирования были запущены, изменяя положение крена, рыскания, скорости и балласта. Эта Вместе с моделированием парусов в VPP. Наконец, были проведены симуляции волн. На рисунке 8 показаны типичные результаты для такого моделирования в волнах. Высота волны 1 м, а длина волны 30 м с углом падения 30 градусов. Парусная яхты с креном 15 градусов на скорости в 16 узлов. Диаграмма показывает некоторые результаты моделирования для одного период волны . В этом случае применяются только две степени свободы: всплытие и дифферент.
Освобождение большего количества степеней свободы имеет смысл и 6DoF моделирование в настоящее время разрабатывается на ''Cape Horn Engineering'', для примера см. [7] . Точная и надежная аэродинамическая модель требует большой библиотеки форм парусов, которые мы тестировали в прошлом. Изменения направления угла руля также необходимо смоделировать: эффекты руля в настоящее время представляют из себя стационарный руль с добавлением виртуальных сил из эмпирической модели; Однако они в скором времени будут обрабатываться непосредственно в CFD путем моделирования вращения руля.
При стационарном движении руль фиксируется для поддержания курса. Рисунок 9 показывает историю движения для случая 6-DoF: Парусная лодка движется под действием ветра скоростью 10 узлов и направлением 95 градусов. Система управления рулем держит лодка на 0,5 градуса.
5. ВЫВОДЫ
В последние годы моделирование с использованием кодов RANS превзошли в точности испытания в буксирном бассейне , доступности и простоте использования. Это в сочетании с передовыми методами визуализации потока и подробными результатами дают гораздо более глубокое понимание характера динамики потока.Использование CFD в дизайне супер и мега яхт стало жизнеспособной и экономичной альтернативой традиционному тестированию. В будущем мы видим тенденцию к использованию 6-DoF моделирования для оценки баланса парусных яхт и различия в эффективности между кандидатами на проектирование. Эта методология в конечном итоге заменит классический VPP..
