2002年8月第4期
船 舶
SH IP &BOA T A ugust, 2002
NO. 4
[试验与研究]
船舶计算流体力学的发展与应用
蔡荣泉
[关键词]计算流体力学; 船舶; 前沿发展; 应用
①
[摘 要]本文简要介绍了船舶计算流体力学, 它的前沿成果、应用情况。本文还介绍了708所船舶计算流体力
学的发展简况, 讨论了本所进一步发展船舶计算流体力学的意义和策略。
[中图分类号]U 661. 1 [文献标识码]A [文章编号]100129855(2002) 0420008206
D evelop m en t and application of com putational f luid dynam ics
Cai Rongquan
Keywords :CFD ; sh i p ; fron t 2line developm en t ; app licati on
Abstract :T he p aper gives a b rief p resen tati on of the com pu tati onal flu id dynam () , its fron t 2line developm en t and app licati on s . It also in troduces the state 2the 2of A R I C , stress 2es the i m po rtance and w ays of its fu rther developm en t in I .
上世纪60年代, 操作系统软件的出现, , 粘性流动年代求解RAN S 方。时至今日, 计算机资源强国的船舶计算流体力学依托超级计算机(高性能计算机) 开发并行算法, 充分发挥现有硬件、软件潜能, 已经得以进行了多组件、多性能、多效应、多工况的计算技术研究。
这里简要介绍几个算例, 以对船舶计算流体力学发展目前的前沿状况、计算功能和计算规模产生印象。这些工作由美国密西西比州立大学、海军水面战舰中心、宾夕法尼亚州立大学在1999到2001年间联合进行的。
, 解收敛到稳定状态需要50个处理器, 每个处理器工作99小时, 合计4950个处理器小时。所采用的计算机存贮量为256M B 每处理器, 速度为3. 5G FLO PS 。图中给出了算得的流迹
。
1 绕带偏航角的艇体流动计算:
图 1
计算对象为一艘概念潜艇(见图1) 。艇体相对来流有固定不变的方位, 俯航10°、偏航10°, 横摇5°。计算工作按螺旋桨旋转、流体作周期性非定常流动进行, 计算雷诺数取1. 2×107。计算空间布置450万个网格点子, 桨每转一周, 计算推进235个时步, 艇每前进一个艇长, 计算推进4300时步。在前进一
①
2 由舵偏转引起的艇体操纵性计算
对象物仍为同一概念潜艇, 但舵偏转10°。计算雷诺数也取为R e =1. 2×107。艇体上水动力和水动
[收稿日期]2002-3-14
[作者简介]蔡荣泉(1944. 9-) , 男, 汉族, 上海人, 研究员, 博导, 主要从事船舶计算流体力学工作。
8
船舶计算流体力学的发展与应用
力矩系通过求解RAN S 方程得到艇体上的粘性应力和压力分布再作积分而得到。用这些力和力矩, 再积分求解6自由度方程, 便得到各个时刻舰船的速度和转速。然后经过纯运动学关系式的积分, 便可得到舰只的航迹。图2给出了4个时刻, 由于舵偏转, 艇体偏转3°、9°、20°和30°时的流场情况
。
每处理器, 512M b 每处理器。 此三例FLO PS
的特点是:
多组件—艇、指挥台(带小翼) 、尾控制翼、桨(静叶、动叶) ,
多性能—涉及快速性、操纵性, 多效应—粘性效应、非定常效应,
多工况—比如提供多个艇体偏转位置的流场结果。
这些算例反映了目前船舶CFD 发展前沿状况。计算功能已能达到很接近全真状态的程度。同时这些算例也是充分调动目前计算技术(软件、硬件) 的前沿成果的巨大潜能的结果, 计算规模远非早先的单机(单CPU ) 、台式机、串行运算状态所可比拟。
船舶CFD , 也有种种努力。下面给出三个较典型例子, CFD 面向应用
图 2
3图3所示为绕艇尾部复杂的概念桨(泵喷推进器) 的非定常流场计算结果。桨为单级, 含11个进流导叶和6个转叶。计算工作按桨运转进行。计算空间中布置了1100万个节点, 对1000个时步, 需要87个处理器计算20小时, 即1740个处理器小时。整个算例需用22. 3G 存贮量, 在约4. 2G FLO PS 的网格速度下运行。目前采用的计算机性能为72
M
图 4
3. 1 尾板对FFG 27级导弹护卫舰功率性能和年度
耗油量的影响
这一工作由美国戴维2泰勒水池1988年进行。这是这里给出的三个例子中相对早期的一项工作, 见图5。通过系列的水池试验, 发现了以后缘向下10°安装尾板, 能取得最佳效果。在26kn 时降低功率8. 4%, 年度耗油量下降3. 8%, 而最大速度上升约0. 5kn , 时间平均收到功率下降2. 6%。然后, 采用自由表面势流计算软件S W IFT , 对这一技术措施进行机理研究, 发现自19站后, 船体表面上压力系数增加, 这自然会导致阻力的减少, 并引起波形的变化。发现尾板引起的流动变化一直扩展到桨盘面, 使进入桨面的流动速度减少, 这就降低了等推力伴流分数(12W T ) , 并相应地使船推进效率提高。
图 3
9
2002年8月第4期
船 舶
SH IP &BOA T A ugust, 2002
NO. 4
的性能, 现已发现驾驶舱出现在紧靠进汽口处会是空气流动潜在的扰动源。图7给出了纵垂对称面内速度矢量的计算结果
。
图
5
3. 2 挑战水速的设计优化
2000年, Q rick silver 3. 使用F luen t CFD 水翼飞艇(6, 原来记录为317. 60m ph (. kph ) , 据说已保持了21年之久。大湖上的湖面情况无法完全预知。由风洞试验所提供的信息, 尚难以预报以如此高速穿越此湖面时, 快艇的性能状况。设计小组特别关注涡, 它们会在艇前部脱落, 继续前行后又会再重附着到艇身, 形成对艇身的撞击, 引起不必要的升力和不稳定性, 甚至成为可能出现的艇毁人亡悲剧的祸根。通过CFD 计算, 设计小组得以更全面了解这些涡的品行, 以及在高速之下, 涡与艇身的相互作用程度。只有当空气光顺地穿过压汽机正面的艇身区域时, 发动机才能取得最大效率。根据计算得到的提示信息, 他们正在精细调整飞艇的外形, 以在这一重要区域取得优化
图 6
这项工作由Gerge M ason 大学和戴维2泰勒水池合作, 在2001年完成。这一工作主要考评三体船中体与片体的前后错位a 和横向间距b 的水动力最佳值(图8) 。考察范围为-0. 75≤a ≤0. 75, 0. 05
表示大值。波阻系数最小值出现在a =0. 575, b =0. 11处。也即在如此平均的意义上, 三体船的前后错位和横向间隔的最佳值为0. 575和0. 11(后文简称之为优化船) 。应该指出图9是相类似的38张图的平均化后的结果, 这38张图对应于38个傅氏数。图10给出了波阻系数相对于傅氏数的变化曲线, 其中最上方一条是各傅氏数下波阻系数最大值, 最下方一条是各傅氏数下波阻系数最小值, 由上往下第二条是三个片体无相互干扰时的波阻系数曲线, 第三条即是固定取a =0. 575, b =0. 11的三体船的波阻系数曲线。可见由图9得到的优化船在整个傅氏数范围内均取得了有利干扰, 且在超过一半的范围内, 基本上也达到波阻系数最小的最佳效果。图11是傅
10
船舶计算流体力学的发展与应用
图
8
图 9
氏数为0. 4069时, 波阻系数最小的船(a =-0. 425,
-3
b =0. 14, Cw =0. 610×10) , 优化船(a =0. 575, b =0. 11, Cw =0. 699×10-3) , 波阻系数最大的船(a =0. 0, b =0. 15, Cw =2. 015×10-3) , 三种船的波高等值图。红色为波面抬升
。
(a =0. 0, b =0. 15, Cw =2. 015×103)
图 10
图 11
由上述三例可见, 船舶CFD 在船舶设计过程中, 已用于:
指导设计-包括多方案选优, 甚至开发设计参考图谱;
改进设计-包括检验设计方案, 提供改进建议、咨询。
事实上, 船舶CFD 已与试验研究一样成为船舶设计的又一有力的支持工具或手段。首先船舶CFD 对试验研究提供辅助手段, 它可以提供试验研究中无法观察或难以观察到的信息, 它可以在实船相关研究方面显示出优势。其次, 船舶计算流体力学能取得大量的计算结果, 能提供局部的流场信息, 相当于实现大量观察、细节观察、机理观察, 从而在各种新技术措施开发研究中, 作机理考察研究, 成为开发新技术、新措施的有力工具。同时, 船舶计算流体力学的计算能力很易“复制”, 从而实现并行地同时运行。这是试验研究难以企及的, 试想复制一个拖曳水池是何等代价、周期多长! 比如, 上述例3的图9,
是进
行了多达38×61×26=60268次基于线性理论的
船波势流计算之后的结果。在三个片体上布置11525个单元。在SG I O rigin 2000计算机上用38个处理器(每个处理器计算一个傅氏数) , 并行地同时运行, 花费了18小时的CPU 时间。试想若限用一个处理器, 则需经历约684小时的CPU 时间, 即约29天。由此可见船舶计算流体力学作为一种设计咨询手段, 它的易于并行同时运行的特点, 使其在快速响应用户需求方面, 具有极大的潜能和优势。故而应该使船舶计算流体力学与试验实现互补或组合, 发挥其信息量大, 成本低, 易并行化, 能快速响应等优势, 在面向应用方面进一步发挥其潜能。
由上述三例可见, 让船舶计算流体力学面向应用, 本身经历了一个发展过程, 其计算规模和其所发挥的作用也经历了一个由小渐大的过程。由于船舶计算流体力学技术本身尚在进一步发展之中, 它目前尚有一些自身的局限。应该说, 船舶计算流体力学的性能预报尚处于定性量化的程度, 精确定量预报
11
2002年8月第4期
船 舶
SH IP &BOA T A ugust, 2002
NO. 4
尚需进一步努力。同时部分由于受硬件发展状况的制约, 尚难以全真地模拟实际流动情景。因此在对待船舶计算流体力学面向应用的问题上, 有必要对其确定适当的要求。事实上, 对“如何使用船舶CFD ”的认识, 今后仍需不断扩展提高, 要不断总结这方面的经验, 不断提高认识, 逐步提高自觉性。
分析上述三例, 还有一点值得注意。这三例中所采用的算法, 例2采用了计及粘性影响的RAN S 解法, 而例1、例3都采用了忽略粘性影响的势流计算方法。可能属于偶然, 但这也反映了比较早期, 相对比较简单的势流计算方法, 因其使用较灵活容易, 计算量相对较小, 在面向应用中仍有很强的生命力。倘若例3的工作改用同时计及粘性和自由面影响的算法, 要得到图9这样的图谱, 目前硬件条件限制之下, 仍是一项不太现实的工作。在计算资源尚不太强的情况下, 甚至可以说, 势流方法仍是目前唯一切实的工程方法。
果和应用发展的典型实例, 流体力学的未来前景, 中, 。一旦, 便能实现, 为虚拟模拟样机展现其性能品行。考虑到计算机发展的“穆尔法则”, 考虑到目前已经出现分子、光子、量子计算机的开发, 国际上有人认为完全独立的CFD 全真模拟需待到2020年。这一估计也许过于乐观, 但毕竟我们确实看得到希望。
在给出了船舶CFD 的发展和应用的一些印象性介绍后, 这里要介绍何为“计算流体力学”。计算流体力学是计算数学和流体力学相组合的一门综合学科, 或称为边缘学科。流体力学中, 为便于研究, 对流体特性引入假设, 而将流动分成两大类:无粘流动(有势流动, 简称) 和粘性流动(简称“势流”“粘流”, 包括层流和紊流) 。船舶CFD 也对应的有势流计算和粘流计算之分。目前势流计算相对成熟, 如前所述, 它具有简易、计算量小等特点, 而成为切实的工程方法。就船舶CFD 技术本身功能发展而言, 目前主要是处理粘性流动问题, 特别是紊流。粘流问题的数学模型即是著名的纳维2斯托克斯(N avier 2Stokes ) 方程, 数值求解这一方程的方法有三大类:
直接数值模拟方法(DN S ) 大尺度涡动模拟方法(L ES ) 雷诺平均方法(RAN S )
由于计算机硬件资源的限制, 前二种方法暂还12
难有工程应用的可能。因此, 仅有第三种即求解雷诺平均纳维2斯托克斯方程的方法比较流行。
船舶CFD 可处理的对象, 主要是船体或螺旋桨, 目前也已开始处理船 桨 附体的组合体。可处理的水动力特性目前主要是快速性, 操纵性(耐波性) 的处理也已开始。而快速性处理的直接数值结果是对象物周围的速度场和压力场, 以及阻力预报(总阻力, 摩擦阻力、压差阻力、推力、扭矩) 。如果感兴趣的话, 在此基础上还可计算伴流分布、涡场等。
计算流体力学促进了流体力学的发展, 提高了人们对流体流动特性的认识, 使得人们的这种认识, 由粗略、简单、抽象到细致、复杂、具体。特别是对于粘性对流动的影响, 有了更具体丰富的了解。已经开技术研究队伍。历“武器装备预先, 培养了专业的人才、开发了相关的软件、积累了相当的经验。在此过程中, 对船舶CFD 本身, 它的作用、地位、局限等的认识也逐步提高。目前, 在国内已形成一定的自身的特色, 得到了同行的承认和重视。
表1列出了708研究所历年来所开发的一些解法。除流动计算的解法之外, 也在网格生成方法、计算结果的后处理方面作过一些努力。进行过潜艇、水面船、螺旋桨的一些算例计算。“九五”期间, 该所经努力在船波计算方面, 在国内率先取得了船波粘流计算方法开发的突破, 在此基础上又进一步开发了势流方法和粘流方法相组合的船波流动计算方法。目前能计算出同测量相比令人满意的波高分布, 在阻力预报方面, 计算值与试验值偏差可一致地
708研究所在船舶CFD 的实际应用方面, 也作过一些有益的努力。如与上海船厂合作的“折角线船型优化”项目, 曾获联合国技术信息促进系统发明创新奖; 在“船舶水动力学综合节能技术研究应用”项目中进行过机理研究, 该项目曾获七院科技进步二等奖; 还应用于球首优化设计, 船尾整流鳍安装位置
船舶计算流体力学的发展与应用
和机理研究等。
表 1
叠模势流计算
势流计算
船波势流计算
边界层微分法计算
叠模粘流计算
粘流计算
船波粘流计算
这可从IT TC 的活动情况, 船东的一些要求, 国外同类设计研究单位对CFD 的热情投入得到结论。作为行业内的一个个体, 必须主动调整, 迎合主流, 方可从中受益。
2. 国外同类设计研究单位, 如瑞典SSPA 、德国H SVA 、韩国KR ISO 、荷兰M arin 等在CFD 方面均有相当的投入, 我所应与之相同步或至少缩小差距, 适应竞争的需要, 保持业内的地位。
3. 与IT TC 成员地位相适应。国内有人将目前的IT TC 的船舶阻力委员会戏称为船舶CFD 委员会。
4. 有利于探索新的船舶设计思想和船舶设计方法, 以保持本所可持续发展的能力。
5. 有望提高设计师而CFD 发展过程有限元计算程序已成为结, 计算已成为复杂设计的必要。外领域的这一历史发展情况也提示了我们, 必须重视CFD 的发展。
应该说, 本所发展船舶CFD 是有一定的有利条件。除了经长期积累, 已形成一定特点, 得到同行认可外, 作为设计单位, CFD 的发展可得到强烈需求和应用背景的牵动和驱动。同时, 所内各部门对
所CFD 发展的意义也正逐步形成共识, 无论所长、科技处、劳人处还是工程中心、喷水推进中心的有关
领导成员都对之有相当的重视和诚意。
最后, 我们试图初步讨论一下, 应如何进一步开展我所的CFD 研究工作:
1. 应积极面向应用, 在应用中促进功能开发。
2. 明确重点发展方向, 进一步强化特点。3. 加强与设计师的沟通交流, 使设计师对CFD 由了解而熟悉, 由被动而主动, 由客体而主体。
4. 积极投入新技术、新措施的开发过程, 积极
(Cb =0. 6 F n =0. 316 79～27)
配合新设计思想的尝试探索。
5. 形成惯例, 积极积累算例, 逐步实现定量预
图 12
报。
通过多年的船舶CFD 研究工作, 我们认为708
所进一步开展船舶CFD 研究, 具有如下意义:
1. 积极开发CFD 技术, 积极开展CFD 的实
6. 调研CFD 在实用中的局限和难点所在, 确
定进一步突破方向和途径, 积极主动介入所内关键技术, 由此选题立题, 为CFD 面向应用完成若干典型实例。
际应用研究, 已成为国际、国内同行间的主流认识。
13
2002年8月第4期
船 舶
SH IP &BOA T A ugust, 2002
NO. 4
[试验与研究]
船舶计算流体力学的发展与应用
蔡荣泉
[关键词]计算流体力学; 船舶; 前沿发展; 应用
①
[摘 要]本文简要介绍了船舶计算流体力学, 它的前沿成果、应用情况。本文还介绍了708所船舶计算流体力
学的发展简况, 讨论了本所进一步发展船舶计算流体力学的意义和策略。
[中图分类号]U 661. 1 [文献标识码]A [文章编号]100129855(2002) 0420008206
D evelop m en t and application of com putational f luid dynam ics
Cai Rongquan
Keywords :CFD ; sh i p ; fron t 2line developm en t ; app licati on
Abstract :T he p aper gives a b rief p resen tati on of the com pu tati onal flu id dynam () , its fron t 2line developm en t and app licati on s . It also in troduces the state 2the 2of A R I C , stress 2es the i m po rtance and w ays of its fu rther developm en t in I .
上世纪60年代, 操作系统软件的出现, , 粘性流动年代求解RAN S 方。时至今日, 计算机资源强国的船舶计算流体力学依托超级计算机(高性能计算机) 开发并行算法, 充分发挥现有硬件、软件潜能, 已经得以进行了多组件、多性能、多效应、多工况的计算技术研究。
这里简要介绍几个算例, 以对船舶计算流体力学发展目前的前沿状况、计算功能和计算规模产生印象。这些工作由美国密西西比州立大学、海军水面战舰中心、宾夕法尼亚州立大学在1999到2001年间联合进行的。
, 解收敛到稳定状态需要50个处理器, 每个处理器工作99小时, 合计4950个处理器小时。所采用的计算机存贮量为256M B 每处理器, 速度为3. 5G FLO PS 。图中给出了算得的流迹
。
1 绕带偏航角的艇体流动计算:
图 1
计算对象为一艘概念潜艇(见图1) 。艇体相对来流有固定不变的方位, 俯航10°、偏航10°, 横摇5°。计算工作按螺旋桨旋转、流体作周期性非定常流动进行, 计算雷诺数取1. 2×107。计算空间布置450万个网格点子, 桨每转一周, 计算推进235个时步, 艇每前进一个艇长, 计算推进4300时步。在前进一
①
2 由舵偏转引起的艇体操纵性计算
对象物仍为同一概念潜艇, 但舵偏转10°。计算雷诺数也取为R e =1. 2×107。艇体上水动力和水动
[收稿日期]2002-3-14
[作者简介]蔡荣泉(1944. 9-) , 男, 汉族, 上海人, 研究员, 博导, 主要从事船舶计算流体力学工作。
8
船舶计算流体力学的发展与应用
力矩系通过求解RAN S 方程得到艇体上的粘性应力和压力分布再作积分而得到。用这些力和力矩, 再积分求解6自由度方程, 便得到各个时刻舰船的速度和转速。然后经过纯运动学关系式的积分, 便可得到舰只的航迹。图2给出了4个时刻, 由于舵偏转, 艇体偏转3°、9°、20°和30°时的流场情况
。
每处理器, 512M b 每处理器。 此三例FLO PS
的特点是:
多组件—艇、指挥台(带小翼) 、尾控制翼、桨(静叶、动叶) ,
多性能—涉及快速性、操纵性, 多效应—粘性效应、非定常效应,
多工况—比如提供多个艇体偏转位置的流场结果。
这些算例反映了目前船舶CFD 发展前沿状况。计算功能已能达到很接近全真状态的程度。同时这些算例也是充分调动目前计算技术(软件、硬件) 的前沿成果的巨大潜能的结果, 计算规模远非早先的单机(单CPU ) 、台式机、串行运算状态所可比拟。
船舶CFD , 也有种种努力。下面给出三个较典型例子, CFD 面向应用
图 2
3图3所示为绕艇尾部复杂的概念桨(泵喷推进器) 的非定常流场计算结果。桨为单级, 含11个进流导叶和6个转叶。计算工作按桨运转进行。计算空间中布置了1100万个节点, 对1000个时步, 需要87个处理器计算20小时, 即1740个处理器小时。整个算例需用22. 3G 存贮量, 在约4. 2G FLO PS 的网格速度下运行。目前采用的计算机性能为72
M
图 4
3. 1 尾板对FFG 27级导弹护卫舰功率性能和年度
耗油量的影响
这一工作由美国戴维2泰勒水池1988年进行。这是这里给出的三个例子中相对早期的一项工作, 见图5。通过系列的水池试验, 发现了以后缘向下10°安装尾板, 能取得最佳效果。在26kn 时降低功率8. 4%, 年度耗油量下降3. 8%, 而最大速度上升约0. 5kn , 时间平均收到功率下降2. 6%。然后, 采用自由表面势流计算软件S W IFT , 对这一技术措施进行机理研究, 发现自19站后, 船体表面上压力系数增加, 这自然会导致阻力的减少, 并引起波形的变化。发现尾板引起的流动变化一直扩展到桨盘面, 使进入桨面的流动速度减少, 这就降低了等推力伴流分数(12W T ) , 并相应地使船推进效率提高。
图 3
9
2002年8月第4期
船 舶
SH IP &BOA T A ugust, 2002
NO. 4
的性能, 现已发现驾驶舱出现在紧靠进汽口处会是空气流动潜在的扰动源。图7给出了纵垂对称面内速度矢量的计算结果
。
图
5
3. 2 挑战水速的设计优化
2000年, Q rick silver 3. 使用F luen t CFD 水翼飞艇(6, 原来记录为317. 60m ph (. kph ) , 据说已保持了21年之久。大湖上的湖面情况无法完全预知。由风洞试验所提供的信息, 尚难以预报以如此高速穿越此湖面时, 快艇的性能状况。设计小组特别关注涡, 它们会在艇前部脱落, 继续前行后又会再重附着到艇身, 形成对艇身的撞击, 引起不必要的升力和不稳定性, 甚至成为可能出现的艇毁人亡悲剧的祸根。通过CFD 计算, 设计小组得以更全面了解这些涡的品行, 以及在高速之下, 涡与艇身的相互作用程度。只有当空气光顺地穿过压汽机正面的艇身区域时, 发动机才能取得最大效率。根据计算得到的提示信息, 他们正在精细调整飞艇的外形, 以在这一重要区域取得优化
图 6
这项工作由Gerge M ason 大学和戴维2泰勒水池合作, 在2001年完成。这一工作主要考评三体船中体与片体的前后错位a 和横向间距b 的水动力最佳值(图8) 。考察范围为-0. 75≤a ≤0. 75, 0. 05
表示大值。波阻系数最小值出现在a =0. 575, b =0. 11处。也即在如此平均的意义上, 三体船的前后错位和横向间隔的最佳值为0. 575和0. 11(后文简称之为优化船) 。应该指出图9是相类似的38张图的平均化后的结果, 这38张图对应于38个傅氏数。图10给出了波阻系数相对于傅氏数的变化曲线, 其中最上方一条是各傅氏数下波阻系数最大值, 最下方一条是各傅氏数下波阻系数最小值, 由上往下第二条是三个片体无相互干扰时的波阻系数曲线, 第三条即是固定取a =0. 575, b =0. 11的三体船的波阻系数曲线。可见由图9得到的优化船在整个傅氏数范围内均取得了有利干扰, 且在超过一半的范围内, 基本上也达到波阻系数最小的最佳效果。图11是傅
10
船舶计算流体力学的发展与应用
图
8
图 9
氏数为0. 4069时, 波阻系数最小的船(a =-0. 425,
-3
b =0. 14, Cw =0. 610×10) , 优化船(a =0. 575, b =0. 11, Cw =0. 699×10-3) , 波阻系数最大的船(a =0. 0, b =0. 15, Cw =2. 015×10-3) , 三种船的波高等值图。红色为波面抬升
。
(a =0. 0, b =0. 15, Cw =2. 015×103)
图 10
图 11
由上述三例可见, 船舶CFD 在船舶设计过程中, 已用于:
指导设计-包括多方案选优, 甚至开发设计参考图谱;
改进设计-包括检验设计方案, 提供改进建议、咨询。
事实上, 船舶CFD 已与试验研究一样成为船舶设计的又一有力的支持工具或手段。首先船舶CFD 对试验研究提供辅助手段, 它可以提供试验研究中无法观察或难以观察到的信息, 它可以在实船相关研究方面显示出优势。其次, 船舶计算流体力学能取得大量的计算结果, 能提供局部的流场信息, 相当于实现大量观察、细节观察、机理观察, 从而在各种新技术措施开发研究中, 作机理考察研究, 成为开发新技术、新措施的有力工具。同时, 船舶计算流体力学的计算能力很易“复制”, 从而实现并行地同时运行。这是试验研究难以企及的, 试想复制一个拖曳水池是何等代价、周期多长! 比如, 上述例3的图9,
是进
行了多达38×61×26=60268次基于线性理论的
船波势流计算之后的结果。在三个片体上布置11525个单元。在SG I O rigin 2000计算机上用38个处理器(每个处理器计算一个傅氏数) , 并行地同时运行, 花费了18小时的CPU 时间。试想若限用一个处理器, 则需经历约684小时的CPU 时间, 即约29天。由此可见船舶计算流体力学作为一种设计咨询手段, 它的易于并行同时运行的特点, 使其在快速响应用户需求方面, 具有极大的潜能和优势。故而应该使船舶计算流体力学与试验实现互补或组合, 发挥其信息量大, 成本低, 易并行化, 能快速响应等优势, 在面向应用方面进一步发挥其潜能。
由上述三例可见, 让船舶计算流体力学面向应用, 本身经历了一个发展过程, 其计算规模和其所发挥的作用也经历了一个由小渐大的过程。由于船舶计算流体力学技术本身尚在进一步发展之中, 它目前尚有一些自身的局限。应该说, 船舶计算流体力学的性能预报尚处于定性量化的程度, 精确定量预报
11
2002年8月第4期
船 舶
SH IP &BOA T A ugust, 2002
NO. 4
尚需进一步努力。同时部分由于受硬件发展状况的制约, 尚难以全真地模拟实际流动情景。因此在对待船舶计算流体力学面向应用的问题上, 有必要对其确定适当的要求。事实上, 对“如何使用船舶CFD ”的认识, 今后仍需不断扩展提高, 要不断总结这方面的经验, 不断提高认识, 逐步提高自觉性。
分析上述三例, 还有一点值得注意。这三例中所采用的算法, 例2采用了计及粘性影响的RAN S 解法, 而例1、例3都采用了忽略粘性影响的势流计算方法。可能属于偶然, 但这也反映了比较早期, 相对比较简单的势流计算方法, 因其使用较灵活容易, 计算量相对较小, 在面向应用中仍有很强的生命力。倘若例3的工作改用同时计及粘性和自由面影响的算法, 要得到图9这样的图谱, 目前硬件条件限制之下, 仍是一项不太现实的工作。在计算资源尚不太强的情况下, 甚至可以说, 势流方法仍是目前唯一切实的工程方法。
果和应用发展的典型实例, 流体力学的未来前景, 中, 。一旦, 便能实现, 为虚拟模拟样机展现其性能品行。考虑到计算机发展的“穆尔法则”, 考虑到目前已经出现分子、光子、量子计算机的开发, 国际上有人认为完全独立的CFD 全真模拟需待到2020年。这一估计也许过于乐观, 但毕竟我们确实看得到希望。
在给出了船舶CFD 的发展和应用的一些印象性介绍后, 这里要介绍何为“计算流体力学”。计算流体力学是计算数学和流体力学相组合的一门综合学科, 或称为边缘学科。流体力学中, 为便于研究, 对流体特性引入假设, 而将流动分成两大类:无粘流动(有势流动, 简称) 和粘性流动(简称“势流”“粘流”, 包括层流和紊流) 。船舶CFD 也对应的有势流计算和粘流计算之分。目前势流计算相对成熟, 如前所述, 它具有简易、计算量小等特点, 而成为切实的工程方法。就船舶CFD 技术本身功能发展而言, 目前主要是处理粘性流动问题, 特别是紊流。粘流问题的数学模型即是著名的纳维2斯托克斯(N avier 2Stokes ) 方程, 数值求解这一方程的方法有三大类:
直接数值模拟方法(DN S ) 大尺度涡动模拟方法(L ES ) 雷诺平均方法(RAN S )
由于计算机硬件资源的限制, 前二种方法暂还12
难有工程应用的可能。因此, 仅有第三种即求解雷诺平均纳维2斯托克斯方程的方法比较流行。
船舶CFD 可处理的对象, 主要是船体或螺旋桨, 目前也已开始处理船 桨 附体的组合体。可处理的水动力特性目前主要是快速性, 操纵性(耐波性) 的处理也已开始。而快速性处理的直接数值结果是对象物周围的速度场和压力场, 以及阻力预报(总阻力, 摩擦阻力、压差阻力、推力、扭矩) 。如果感兴趣的话, 在此基础上还可计算伴流分布、涡场等。
计算流体力学促进了流体力学的发展, 提高了人们对流体流动特性的认识, 使得人们的这种认识, 由粗略、简单、抽象到细致、复杂、具体。特别是对于粘性对流动的影响, 有了更具体丰富的了解。已经开技术研究队伍。历“武器装备预先, 培养了专业的人才、开发了相关的软件、积累了相当的经验。在此过程中, 对船舶CFD 本身, 它的作用、地位、局限等的认识也逐步提高。目前, 在国内已形成一定的自身的特色, 得到了同行的承认和重视。
表1列出了708研究所历年来所开发的一些解法。除流动计算的解法之外, 也在网格生成方法、计算结果的后处理方面作过一些努力。进行过潜艇、水面船、螺旋桨的一些算例计算。“九五”期间, 该所经努力在船波计算方面, 在国内率先取得了船波粘流计算方法开发的突破, 在此基础上又进一步开发了势流方法和粘流方法相组合的船波流动计算方法。目前能计算出同测量相比令人满意的波高分布, 在阻力预报方面, 计算值与试验值偏差可一致地
708研究所在船舶CFD 的实际应用方面, 也作过一些有益的努力。如与上海船厂合作的“折角线船型优化”项目, 曾获联合国技术信息促进系统发明创新奖; 在“船舶水动力学综合节能技术研究应用”项目中进行过机理研究, 该项目曾获七院科技进步二等奖; 还应用于球首优化设计, 船尾整流鳍安装位置
船舶计算流体力学的发展与应用
和机理研究等。
表 1
叠模势流计算
势流计算
船波势流计算
边界层微分法计算
叠模粘流计算
粘流计算
船波粘流计算
这可从IT TC 的活动情况, 船东的一些要求, 国外同类设计研究单位对CFD 的热情投入得到结论。作为行业内的一个个体, 必须主动调整, 迎合主流, 方可从中受益。
2. 国外同类设计研究单位, 如瑞典SSPA 、德国H SVA 、韩国KR ISO 、荷兰M arin 等在CFD 方面均有相当的投入, 我所应与之相同步或至少缩小差距, 适应竞争的需要, 保持业内的地位。
3. 与IT TC 成员地位相适应。国内有人将目前的IT TC 的船舶阻力委员会戏称为船舶CFD 委员会。
4. 有利于探索新的船舶设计思想和船舶设计方法, 以保持本所可持续发展的能力。
5. 有望提高设计师而CFD 发展过程有限元计算程序已成为结, 计算已成为复杂设计的必要。外领域的这一历史发展情况也提示了我们, 必须重视CFD 的发展。
应该说, 本所发展船舶CFD 是有一定的有利条件。除了经长期积累, 已形成一定特点, 得到同行认可外, 作为设计单位, CFD 的发展可得到强烈需求和应用背景的牵动和驱动。同时, 所内各部门对
所CFD 发展的意义也正逐步形成共识, 无论所长、科技处、劳人处还是工程中心、喷水推进中心的有关
领导成员都对之有相当的重视和诚意。
最后, 我们试图初步讨论一下, 应如何进一步开展我所的CFD 研究工作:
1. 应积极面向应用, 在应用中促进功能开发。
2. 明确重点发展方向, 进一步强化特点。3. 加强与设计师的沟通交流, 使设计师对CFD 由了解而熟悉, 由被动而主动, 由客体而主体。
4. 积极投入新技术、新措施的开发过程, 积极
(Cb =0. 6 F n =0. 316 79～27)
配合新设计思想的尝试探索。
5. 形成惯例, 积极积累算例, 逐步实现定量预
图 12
报。
通过多年的船舶CFD 研究工作, 我们认为708
所进一步开展船舶CFD 研究, 具有如下意义:
1. 积极开发CFD 技术, 积极开展CFD 的实
6. 调研CFD 在实用中的局限和难点所在, 确
定进一步突破方向和途径, 积极主动介入所内关键技术, 由此选题立题, 为CFD 面向应用完成若干典型实例。
际应用研究, 已成为国际、国内同行间的主流认识。
13