0
1 голосов
Морская CFD [Ответы] часть 9
Автор:
Nicos
,
13 октября 2017
·
2 534 просмотров
Большая переводная статья, которая в принципе, может претендовать на звание настольной книги для всех кто занимается морской CFD. Статья разбита на три части для лучшего усвоения.
Практические рекомендации по применению CFD для судов
ОБЗОР
Эти рекомендации предполагают, что метод захвата поверхности используется в большинстве коммерческих и академических CFD пакетах.
Он также предполагает, что решатель работает с сеткой, в отличии от бссеточных методов.
Мы делим процесс CFD на предварительную обработку, вычисления и последующию постобработку.
Для запуска компьютера на расчет следует определить проблемы, сгенерировать сетку и ввести необходимые данные для запуска вычислений.
Постобработка представляет графики и различные числа.
ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА
Характеристика задачи
Сопротивление
Определите числа Рейнольдса и Фруда.
Рейнольдса: Re = ρ U LPP / μ
Фруда: Fr = U / √gLpp
Где ρ и μ - плотность и вязкость жидкости, U - скорость судна, LPP -длина между перпендикулярами судна, G - ускорение силы тяжести. Следует заметить, что вязкость воды изменяется с температурой. Так моделирование масштабных испытаний, проведенных в воде при 10-15 ° C, отличается от вязкости глубокой морской воды при 15 ° С.
Оцените ожидаемую длину и высоту волны на свободной поверхности. Оцените расстояние до стенки, где y + <= 1 для границы вблизи стены и 30 <y + <100 для логарифмической пристеночной функции. Эта оценка расстояния до стены должна основываться на оценке трения в зависимости от число Рейнольдса. Это расстояние описано в виде безразмерного параметра y+. расстояние может быть определено, в зависимости от числа Рейнольдса, следующим образом:
y/LPP = y+/ (Re√ Cf/2)
CF= 0.075/(log10Re - 2)^2
Где y - первая требуемая высота ячейки, а CF -оценка коэффициента трения , основанная на стандартном методе ITTC. Это дает оценку коэффициента трения корпуса лодки. Обратите внимание, что в приведенном выше вычислении CF должен быть рассчитан с использованием полной длины лодки, которое дает приближенное значение CF.
Функция стены
Чтобы разрешить градиенты высокой скорости внутри пограничного слоя, требуется сжатие узлов сетки в направлении твердой поверхности. Таким образом ячейки имеют очень большое соотношение сторон. Обычно на корпусе лодки они могут быть длиной 1м, шириной 0,5м и высотой 3--10мм. Эта приводит не только к большому количеству ячеек сетки, но также предъявляет высокие требования к математике. Это привело к введение так называемых пристеночных функций. Для турбулентных потоков решения существуют только для внутренней части пограничного слоя. Это дает возможность удалить значительную часть ячеек рядом со стеной (которые также имеют самые высокое соотношение), и наложить условие скорости на первый ряд ячеек сетки примыкающей к стене ( функция стены). Однако для пристеночных функций, основанных на двухмерных потоках, как правило, при нулевом градиенте давления, обоснованность этих аналитических выражений становится меньше или даже исчезает с увеличением отрицательного градиента давления. Таким образом, нельзя ожидать, что данный подход приводит к точному решению вблизи судовой кормы, где поток трехмерен и работает против отрицательного градиента давления. Таким образом, этот метод является компромиссом между точностью и вычислительными затратами.
По возможности не следует использовать функцию стены. Или использовать очень осторожно.
Шероховатость поверхности
В расчетах вязкого течения, и даже в модельном испытании, корпус судна рассматривается как гидродинамически гладкий. Однако, во время эксплуатации судна в мере, шероховатость увеличивается из-за эксплуатации и загрязнения, таким образом увеличивается сопротивление трения.
Существует, в основном, два метода включающих эффект шероховатости в вычислениях RANS. Либо через адаптацию функций стены (при использовании) или через адаптацию границы турбулентности (например, в модели k-ω). Однако некоторые основные проблемы все еще остаются. Сначала о справедливости модели шероховатости: какой эквивалентный размер зернистости песка принимать при правильном использовании профиля скорости вблизи стены?
Шероховатость поверхности по-прежнему является предметом активного исследования, и никакие общие рекомендации пока не могут быть даны.
Волны
Определить длину волны, амплитуду и частоту. Для нерегулярных волн определить спектр и соответствующие параметры. Определить частоту отсечки (самая высокая частота для включения в моделировании) и определить соответствующее длину волны.
Движения
Оцените частоты и амплитуды каждого из движений, которые должны быть смоделированы (волна, качка, перемещение, рыскание] и амплитуде перемещения судна.
Возможности потока
Определить местоположение, размер и характерную частоту элементов потока, которые должны быть разрешены (вихри, разделение, флаттер и т. д.).
Область влияния
Оценить размеры домена, которые должны минимизировать влияние граничных условий на результаты моделирования.
Создание и изменение геометрии
Геометрия обычно предоставляется как определенная поверхность в формате файла IGES. Альтернативные форматы файлов также могут использоваться для обеспечения достаточной точности во время процесса передачи файлов. Точность геометрии должна быть проверена что-бы убедится, что определенные поверхности достаточно гладкие и соединяются в пределах заданного допуска. Допуски по геометрии должно зависеть от длины между перпендикулярами судна. Требуемый геометрический допуск также зависит от число Рейнольдса, необходимого для расчета потока.
Как правило, соответствующие допуски геометрии находятся:
Должна быть уделено особое внимание геометрическим особенностям , таким как задняя оконечность судна, которые могут быть на порядок больше или меньше, чем допуск геометрии.
Особенности геометрии, что несколько меньше, чем геометрический допуск не допускаются.
Требуется дополнительная геометрия для процесса создания сетки. Рекомендуемая геометрия производится генерацией сетки, c аналогичными геометрическими допусками, как и на остальной поверхности:
Cетка поверхности ограничивающей геометрию окружающую домен.
Кривые пересечения между корпусом и придатками.
Пересечение кривых между корпусом, придатками и вертикальной плоскостью симметрии.
Дополнительные кривые могут также потребоваться для определения ключевых деталей геометрии.
Генерация сетки.
Подробная информация о процессе создания сетки во многом зависят от решателя и типа cетки, которые он может обрабатывать (декартовы, структурированные, многоблочные, неструктурированные, накладывающиеся и т. д.).
Определение границ домена.
Обычно расчеты вязкого течения судов имеют три фиксированные границы: поверхность судна, плоскости симметрии и (неподвижная) поверхность воды. Кроме того, три дополнительные границы должны быть определены для того, чтобы иметь замкнутую область вокруг корабля. Независимо от типа используемой сетки они будут включать вход, выход и внешняя граница, где должны быть определены приближенные условия границ. Эти границы должны находиться достаточно далеко от судна для минимизации влияния местоположения границ на решение. На входе и внешней границе обычно вводится невозмущенный поток и по этому границы должны быть расположены на расстоянии в 2LPP от корпуса судна. На выходе для всех неизвестных вводятся нулевые градиенты.
В случае, если граничные условия устанавливаются на поверхность воды как свободная поверхность, размер домена должен быть увеличен. Предпочтительно, что-бы кильватерный след от судна не пересекается с внешней границей, чтобы предотвратить отражение волны.
Нестационарные методы часто требуют демпфирования зоны вниз по течению, чтобы предотвратить отражение волны от границы выхода. Выход должен располагаться в 3-5Lpp вниз по течению.
Тип элемента.
Четырехугольные (2D, 4-сторонние) и шестигранные (3D, 6-сторонние) элементы являются самыми популярными типами элементов, поддерживаемые почти всеми CFD кодами. Топологические атрибуты этих элементов – наличие противоположных граней и относительных местоположений центров ячеек и центров граней- была признана полезной для пространственной точности числовых решений. Они также являются эффективными с точки зрения использования элементов, поскольку они могут быть сгруппированы и/или растянуты по мере необходимости для экономичного регулирования потока. Основной недостаток этих структурных элементов сетки состоит в том, что часто очень сложно создавать высококачественные структурированные сетки для сложной геометрии.
Неструктурированная сетка дает большую гибкость в выборе типов элементов, облегчая генерацию сетки для сложной геометрии. Большинство неструктурированных решателей CFD позволяют использовать произвольные многогранные элементы, такие, как четырехугольники (2D), треугольники (2D), гексаэдры, тетраэдры,
пирамиды, призмы. Используется и их сочетание (гибридная неструктурированная сетка). В типичной неструктурированной сетке, часто применяемой в гидродинамике судов, пограничный слой корпуса дискретизирован с использованием призматической сетки, построенной из треугольной сетки на поверхности корпуса, а тетраэдрическая сетка используется в другом месте от корпуса. По сравнению с структурированной сеткой, время зацепления резко сокращается при использовании неструктурированной сетки. Пространственная точность для неструктурированных элементов сетки, таких как треугольники, тетраэдры и пирамиды, может быть ниже, чем для четырехугольных и шестигранных элементов. В неструктурированных сетках обычно требуется гораздо большее количество вычислительных элементов, чтобы достичь сопоставимой точности, чем в структурированных сетках. Более того, пространственная точность большинства неструктурированных сеток, основанных на методе конечных объемов, ограничивается 2-м порядком.
Какие типы элементов использовать для решения данной проблемы зависит от многих факторов, таких как: решатель (поддерживает ли ваш решатель неструктурированные сетки?), цель вычисления ( нужно ли вам решать мелкие детали потока?), компьютерный ресурс ( достаточно ли у вас компреса, что-бы работать с большими сетками?). Вот общие рекомендации при выборе типа элементов сетки:
Для относительно простых конфигураций, такие как голые корпуса, рассмотрите возможность использования высококачественной шестигранная сетка.
Для относительно простых конфигураций, включая движение тела (свободное погружение и дифферент), рассмотрите использование накладывающихся сеток, если ваш решатель может работать с ними.
Для сложных конфигураций, таких как судовые придатки, для которых структурированную сетку сложно сгенерировать, рассмотрите возможность использования неструктурированной сетки, или гибридной неструктурированной сетки.
Избегайте использования тетраэдрической сетки вблизи свободной поверхности, в регионах с высоким разрешением полей течения. Используйте гексаэдрические сетки или призматические сетки.
Точки сетки.
Распределение точек сетки определяется с помощью рассмотрение следующих пунктов:
Основываясь на доступности времени и мощности компьютера, определить общее количество ячеек сетки, это позволяет определить достаточно ли ресурсов для получения надежных результатов.
Проектируйте блоки сетки таким образом, чтобы они были надлежащим образом разбиты для выполнения эффективных вычислений, избегая использования слишком большого количества небольших блоков.
Используйте не менее 40 точек сетки на длину волны на свободной поверхности. В нерегулярных волнах используйте как минимум 20 точек сетки на длину самой короткой волны. Количество точек сетки на длину волны также зависит от порядка точности численной схемы, так что, если 40 точек требуется для метода третьего или четвертого порядка, тогда 80 точек необходимы для схемы 2-го порядка что-бы получить такую же точность (как это предусмотрено большинством коммерческих кодов).
Используйте не менее 20 точек сетки в вертикальной плоскости от свободной поверхности.
По возможности следует использовать ортогональные сетки для разрешения свободной поверхности.
Для моделей турбулентности Spalart-Allmaras, k-ω и т. д. найдите первую точку сетки на расстоянии от стены таком, что y + = 1. Если используются функции стены расстояние может увеличиться, в зависимости от ее реализации , до 30<y+<300.
При возможном использовании гиперболический генератор сетки чтобы гарантировать как можно большую ортогональность сетки возле стены.
Рекомендуется использовать ортогональные сетки, к границам доменов, где налагаются граничные условия такие как условия симметрии и стены. Это условие ортогональности может быть обязательным для некоторых решателей.
Обеспечить уточнение, где характеристики потока соответствуют размерам объекта. Если характер потока не известен то необходимо использовать итерационный процесс и установить ключевые функции потока для данной геометрии. Для этого требуется инициализация решения потока с целью исследования и уточнения сетки. Это должно быть осуществлено до некоторой величины индекса уточнения сетки с целью убедится, что элементов потока достаточно для решения.
Если используется перекрывающиеся сетки, проверьте, что перекрытие достаточно для дополнительных требований в коде и точности
Обеспечить достаточное разрешение высокой кривизны геометрия, особенно вокруг передней и задней оконечности судна. Соответствующая структурированная сетка может обеспечить более эффективное использование вычисленных ресурсов, но за счет увеличения время генерации сетки и ее сложности.
Проверьте качество сетки, чтобы гарантировать, что все ячейки имеют положительный объем, асимметрия и соотношение сторон приемлемы, и что условие ортогональности, в большинстве мест практически удовлетворено.
ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ
