CFD技術(shù)在船舶推進(jìn)中的應(yīng)用-第一章

1、 CFD技術(shù)在船舶推進(jìn)中的應(yīng)用技術(shù)在船舶推進(jìn)中的應(yīng)用主講教師：沈海龍主講教師：沈海龍?jiān)O(shè)課部門：水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)課部門：水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第一章第一章 緒論緒論 1.1 CFD技術(shù)的基本知識技術(shù)的基本知識1.1.1 什么是CFD？ CFD是computational fluid dynamics的簡稱，準(zhǔn)確的中文譯名為計(jì)算流體動力學(xué)，目前大家習(xí)慣的稱謂是計(jì)算流體力學(xué)，它是建立在經(jīng)典流體動力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門新型獨(dú)立學(xué)科，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和計(jì)算結(jié)果的后處理技術(shù)，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析，在時(shí)間和空間上定量描述流場各物理量的近似解。 第一章第

2、一章 緒論緒論 1.1.1 什么是CFD？ CFD的基本思想可以歸結(jié)為：用時(shí)間域及空間域上有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值構(gòu)成的集合，來替代在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，借助質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律等流體流動遵循的基本定律建立反映流體流動問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，尋求高效精確的數(shù)值計(jì)算方法，通過編寫程序和數(shù)值計(jì)算來實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的離散化和求解，最后通過結(jié)果后處理技術(shù)獲得流場各變量的近似解。第一章第一章 緒論緒論 1.1.2 為什么要學(xué)習(xí)CFD技術(shù) 在流體力學(xué)中，常用的研究方法有理論研究方法、CFD方法、實(shí)驗(yàn)測量與觀察，他們構(gòu)成了研究流體流動問題的完整體系,三種方法取長補(bǔ)短，相互促進(jìn)。實(shí)驗(yàn)研

3、究是理論研究和CFD的基礎(chǔ)，是建立運(yùn)動規(guī)律與理論模型的依據(jù)；理論研究反過來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計(jì)算方法；而 CFD則是建立在理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，它借助實(shí)驗(yàn)研究分析流體流動問題的物理特性，借助理論研究建立反映流體流動問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。第一章第一章 緒論緒論 1.1.2 為什么要學(xué)習(xí)CFD技術(shù) 理論研究方法的特點(diǎn):通過實(shí)驗(yàn)測量與觀察對流體的物理性質(zhì)及運(yùn)動特性進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)出合理的理論模型，根據(jù)流體流動遵循的普遍定律及相關(guān)公式，建立描述流體運(yùn)動規(guī)律的封閉方程組（積分形式或微分形式）以及與之相應(yīng)的初始條件和邊界條件，利用各種數(shù)學(xué)工具準(zhǔn)確地解出方程組的精確解或解析解，進(jìn)而清晰、普遍地

4、揭示出流體流動的內(nèi)在規(guī)律，但該方法只局限于少數(shù)比較簡單的理論模型，目前還不能處理較復(fù)雜的流動問題。 第一章第一章 緒論緒論 1.1.2 為什么要學(xué)習(xí)CFD技術(shù) 實(shí)驗(yàn)研究方法的特點(diǎn)：能夠針對所研究的問題，設(shè)計(jì)完全相同或滿足相似理論的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行觀測，所得到的結(jié)果真實(shí)可信，但是實(shí)驗(yàn)方法往往受到模型尺寸、流場擾動、測量精度等因素的限制，有些問題（碳酸巖油田的滲流）還無法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，此外，實(shí)驗(yàn)還會遇到經(jīng)費(fèi)、人力和物力的巨大耗費(fèi)及周期長等許多困難。第一章第一章 緒論緒論 1.1.2 為什么要學(xué)習(xí)CFD技術(shù) 而CFD方法恰好克服了前兩種方法的缺點(diǎn)，能夠解決理論研究方法無法解決的復(fù)雜流動問題，與實(shí)

5、驗(yàn)方法相比，它所需的費(fèi)用和時(shí)間都比較少，并且不受模型尺寸的限制，很容易模擬特殊尺寸、有毒、高溫、易燃等真實(shí)條件以及實(shí)驗(yàn)中只能接近而無法達(dá)到的理想條件。但它自身也具有一定的局限性，要求對問題的物理特性有足夠的了解，并能建立較精確的數(shù)學(xué)模型。第一章第一章 緒論緒論 1.1.3 CFD方法的分支 經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，CFD出現(xiàn)了多種數(shù)值解法。這些方法之間的主要差別在于對控制方程的離散方式。根據(jù)離散原理的不同，CFD大體上可分為三個(gè)分支： (1)有限差分法（finite difference method，F(xiàn)DM）; (2)有限元法（finite element method，F(xiàn)EM）; (3)有限體

6、積法（finite volume method，F(xiàn)VM）。第一章第一章 緒論緒論 1.1.3 CFD方法的分支(1)有限差分法(FDM) 是數(shù)值解法中最經(jīng)典的方法。它將求解區(qū)域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代替連續(xù)的求解域，然后將偏微分方程(控制方程)的導(dǎo)數(shù)用差商代替，推導(dǎo)出離散點(diǎn)上未知數(shù)的差分方程組。第一章第一章 緒論緒論 1.1.3 CFD方法的分支 (2)有限元法(FEM) 是將一個(gè)連續(xù)的求解域任意分成適當(dāng)形狀的許多微小單元，在各小單元上構(gòu)造插值函數(shù)，然后根據(jù)極值原理(變分或加權(quán)余量法)，將物理問題的控制方程轉(zhuǎn)化為所有單元上的有限元方程，把總體的極值作為各單元極值之和，形成嵌入了指定邊

7、界條件的代數(shù)方程組，求解該方程組就得到各節(jié)點(diǎn)上待求的函數(shù)值。第一章第一章 緒論緒論 1.1.3 CFD方法的分支(3)有限體積法(FVM) 又稱為控制體積法，是將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)互不重復(fù)的控制體積，將待解的微分方程對每個(gè)控制體積積分，從而得到一組離散方程，其中的未知數(shù)是網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的因變量。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒適用于任意一組控制體積，從而對整個(gè)計(jì)算區(qū)域，因變量的積分守恒自然也得到滿足，這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。第一章第一章 緒論緒論 1.1.3 CFD方法的分支 有一些離散方法，例如有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格極其細(xì)密時(shí)，離散方程才滿足積分守恒；而

8、有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積分守恒，而且計(jì)算量相對較小，是目前CFD應(yīng)用最廣的一種方法，如CFX、FLUENT軟件等均采用有限體積法。第一章第一章 緒論緒論 1.1.4 CFD方法研究流體流動問題的主要步驟 采用CFD方法研究流體流動問題的主要步驟如下。 1、建立反映問題(工程問題、物理問題等)本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，即理論研究部分的主要工作。 2、尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法。計(jì)算方法不僅包括控制方程的離散化及求解方法，還包括邊界條件的處理，這是CFD方法的核心工作。 第一章第一章 緒論緒論 1.1.4 CFD方法研究流體流動問題的主要步驟 3、編制程序和進(jìn)行計(jì)算。這部分工作包括

9、計(jì)算網(wǎng)格的劃分、初始條件和邊界條件的輸入、控制參數(shù)的設(shè)定等，是整個(gè)工作中花費(fèi)時(shí)間最多的部分。當(dāng)求解的問題比較復(fù)雜時(shí)，還需要通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。 4、計(jì)算結(jié)果的后處理。后處理工作既包括計(jì)算程序給出的原始求解結(jié)果，也包括利用各種專業(yè)后處理軟件得到的各物理量及其在流場中分布的云圖、等值線圖、矢量圖、散點(diǎn)圖、曲線圖等。第一章第一章 緒論緒論 1.1.5 CFD軟件 為了完成CFD計(jì)算，既需要理論研究方法和數(shù)值計(jì)算方法方面的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，又需要具備編寫計(jì)算程序的能力，顯然，CFD的初學(xué)者不能同時(shí)具備這些條件。然而，自1981年以來，出現(xiàn)了如FLUENT、 CFX、 PHOENICS、STAR-CD、FIDAP

10、、FINE/MARINE等多個(gè)商用CFD軟件，使得CFD的初學(xué)者能夠利用CFD技術(shù)開展相關(guān)研究工作。目前在國內(nèi)比較普及的主要是CFX和FLUENT，因此，本課程將主要講解基于FLUENT軟件的CFD技術(shù)在船舶推進(jìn)中的應(yīng)用。第一章第一章 緒論緒論 1.1.5 CFD軟件 FLUENT是一個(gè)用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與熱交換問題的專用CFD軟件。FLUENT支持UNIX和Windows等多種平臺，支持基于MPI的并行環(huán)境，提供人機(jī)交互的菜單界面，用戶可通過多窗口方式隨時(shí)觀察計(jì)算進(jìn)程和計(jì)算結(jié)果。FLUENT提供用戶編程接口，讓用戶定制或控制相關(guān)的計(jì)算和輸入輸出。FLUENT軟件包由前處

11、理器、求解器和后處理器構(gòu)成。第一章第一章 緒論緒論 1.1.5 CFD軟件 前處理器主要是幾何模型和網(wǎng)格生成軟件，包括GAMBIT、TGrid、 ICEMCFD及其他CADCAE軟件包；求解器是FLUENT軟件包的核心，同時(shí)具備簡單的后處理功能；較復(fù)雜的后處理工作多數(shù)由Tecplot，F(xiàn)ieldview等專業(yè)后處理軟件完成。第一章第一章 緒論緒論 1.1.6 基于FLUENT軟件求解流動問題的步驟 首先應(yīng)針對所要求解的物理問題進(jìn)行初步判斷，明確CFD方法能提供的結(jié)果是否滿足需求，考慮該流動是無粘、層流、還是湍流，是穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)，是否考慮熱交換，是否可壓縮，是否多相流，是否需要應(yīng)用其他物理模型等

12、，然后就可以按以下流程進(jìn)行求解。 (1)生成幾何模型，建立求解控制域，生成計(jì)算網(wǎng)格，設(shè)定邊界條件類型； (2)選擇2D或3D網(wǎng)格模式輸出網(wǎng)格；第一章第一章 緒論緒論 1.1.6 基于FLUENT軟件求解流動問題的步驟 (3)將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT求解器； (4)檢查網(wǎng)格； (5)選擇求解方式； (6)選擇求解模型； (7)確定流體屬性； (8)指定邊界條件； (9)設(shè)定求解相關(guān)參數(shù)； (10)流場初始化；第一章第一章 緒論緒論 1.1.6 基于FLUENT軟件求解流動問題的步驟 (11)迭代計(jì)算； (12)判斷計(jì)算結(jié)果是否收斂； (13)保存結(jié)果，后處理等； (14)如果必要，修改網(wǎng)格或求解參

13、數(shù)，重復(fù)上述過程。第一章第一章 緒論緒論 第2 節(jié) CFD技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 CFD是20世紀(jì)60年代伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速崛起的學(xué)科，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的迅猛發(fā)展，目前己相當(dāng)成熟，各種CFD通用商業(yè)軟件包陸續(xù)出現(xiàn)，為工業(yè)界廣泛接受，性能日趨完善，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。如今，CFD技術(shù)的應(yīng)用早己超越傳統(tǒng)的流體力學(xué)和流體工程的范疇，被廣泛應(yīng)用于航空航天、能源動力、交通運(yùn)輸、船舶海洋等工業(yè)領(lǐng)域，換句話說，凡是和流體流動相關(guān)的都可以用CFD。第一章第一章 緒論緒論 第2 節(jié) CFD技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 在船舶與海洋工程中的應(yīng)用包括：（1）應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能，包括物理量的預(yù)報(bào)和流場細(xì)節(jié)

14、預(yù)報(bào)；（2）CFD技術(shù)的工程化應(yīng)用。第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（1 1）舵、翼、鰭等水動力性能預(yù)報(bào)）舵、翼、鰭等水動力性能預(yù)報(bào)圖1 基于NACA0015剖面設(shè)計(jì)M1剖面圖2 基于NACA0015剖面設(shè)計(jì)M2剖面圖3 NACA0015、M1、M2剖面水動力性能的預(yù)報(bào)與比較圖4 設(shè)計(jì)舵翼外形RW1 圖5 設(shè)計(jì)舵翼外形RW2 圖6 設(shè)計(jì)舵翼外形RW3 圖7 舵翼初始外形 圖8 采用M2剖面和各外形的舵翼性能預(yù)報(bào)與比較圖9 性能最佳的舵翼（M2剖面與RW3外形組合）第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能

15、（2 2）螺旋槳水動力性能預(yù)報(bào)）螺旋槳水動力性能預(yù)報(bào)圖10 典型常規(guī)螺旋槳的推力、轉(zhuǎn)矩及效率預(yù)報(bào)圖11 螺旋槳葉背處速度與壓力分布預(yù)報(bào)圖12 螺旋槳尾流預(yù)報(bào)圖13 螺旋槳空泡預(yù)報(bào)第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（3 3）裸船體阻力預(yù)報(bào)）裸船體阻力預(yù)報(bào)圖14 KCS船裸船體阻力求解模型第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（4 4）船體與舵相互干擾的性能預(yù)報(bào)）船體與舵相互干擾的性能預(yù)報(bào)圖15 57k散貨船船舵干擾求解模型第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（

16、5 5）船槳干擾性能預(yù)報(bào)）船槳干擾性能預(yù)報(bào)圖16 KCS船與KP505槳整體求解模型第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（6 6）船槳舵相互干擾的性能預(yù)報(bào)）船槳舵相互干擾的性能預(yù)報(bào)圖17 57k船槳舵整體求解模型第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（7 7）潛器水動力性能預(yù)報(bào)）潛器水動力性能預(yù)報(bào)圖18 潛艇表面壓力分布云圖第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（8 8）船舶六自由度運(yùn)動性能預(yù)報(bào)）船舶六自由度運(yùn)動性能預(yù)報(bào)圖19 船舶六自由度運(yùn)動與破碎波捕捉第一章

17、第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（9 9）船舶在波浪中的運(yùn)動性能分析）船舶在波浪中的運(yùn)動性能分析圖20 船舶在波浪中的運(yùn)動性能分析第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（1010）實(shí)船與船模尺度效應(yīng)預(yù)報(bào)）實(shí)船與船模尺度效應(yīng)預(yù)報(bào)圖21 實(shí)船與船模尺度效應(yīng)預(yù)報(bào)第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（11 11）海上鉆井平臺波浪載荷分析）海上鉆井平臺波浪載荷分析圖22 海上鉆井平臺波浪載荷分析第一章第一章 緒論緒論 1.2.1應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力

18、性能（1212）流場細(xì)節(jié)預(yù)報(bào)）流場細(xì)節(jié)預(yù)報(bào)圖23 流經(jīng)槳盤面的流體軌跡預(yù)報(bào)第一章第一章 緒論緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應(yīng)用（1 1）附體設(shè)計(jì)與性能預(yù)報(bào)）附體設(shè)計(jì)與性能預(yù)報(bào)圖24 舵球第一章第一章 緒論緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應(yīng)用（2 2）產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能預(yù)報(bào)）產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能預(yù)報(bào)圖25 某散貨船船首與船尾方案比較第一章第一章 緒論緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應(yīng)用（3 3） 仿制先進(jìn)產(chǎn)品仿制先進(jìn)產(chǎn)品圖40 舵球“反潛戰(zhàn)持續(xù)跟蹤無人航行器”ACTUV的仿制與技術(shù)參數(shù)評估圖26 ACTUV的網(wǎng)絡(luò)資料圖片圖27 仿制的ACTUV對比圖片圖28 CFD預(yù)報(bào)的仿制ACTUV航速與功率之間關(guān)系曲線第一章第一章 緒論緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應(yīng)用（4 4） 產(chǎn)品的自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)圖30 融合“Stiletto短劍號”與“bladerunner 51”優(yōu)點(diǎn)后自主設(shè)計(jì)的新船型圖29 “Stiletto短劍號”M型船與“bladerunner 51”網(wǎng)絡(luò)圖片第一章第一章 緒論緒論