不要让空化成为影响船舶性能的罪魁祸首

本文翻译转载于：Cadence blog

作者：Veena Parthan

空化对现代船只设计提出了严峻挑战，尤其是对参加美洲杯帆船赛、旺代单人环球帆船赛和朗姆之路跨大西洋帆船赛等赛事的高速帆船而言。尤其是水翼极易受到空化的影响，空化会导致空蚀，损坏船只表面，甚至出现灾难性故障，使船员面临危险，从而带来巨大经济损失。螺旋桨也会受到空化空蚀的影响，导致效率下降、耐用性降低，以及随之而来的昂贵的更换费用。

在本篇内容中，我们将探讨 Fidelity Fine Marine 中的自适应网格加密（AGR）高级功能如何帮助建模和模拟水翼的空化空蚀，以更快的速度获得更准确的结果。不再让空化空蚀影响您的船只性能。有了 Fine Marine，您就能迎难而上，在比赛中保持领先！

DTC 螺旋桨——高尔夫（2018）

空化模拟

空化仿真需要引入一个全新的相——汽相，即水蒸汽。因此，空化仿真有三相，分别是液相、汽相以及自由液面。更重要的是流动属于复杂的非定常流，如下图所示的空化的脱落等非定常特征。此外，空化的仿真技术也高度依赖网格。为了正确捕捉空化的细节特征，必须在确定的区域保证网格的加密。这一过程非常耗时，且需要大量的技能和专业知识储备。

         

格勒诺布尔 LEGI 空化水洞

Fine Marine自适应网格

加密技术（AGR）

AGR 被广泛用于各应用模拟，如阻力和耐波性、自航以及水翼和螺旋桨空气卷吸等。事实证明，这项技术在提高精度和減少计算时间方面是可靠且有用的。Fine Marine 中的 AGR 模块简化了此类应用的设置流程。

AGR 基础概念

Fine Marine AGR 技术应用非常简洁。根据评估标准，对初始网格单元进行各向同性和各向异性网格加密。AGR 可以对自由液面处网格进行加密，以获得所需的网格精细尺度。左侧图片显示没有经过加密的自由液面网格，而右侧图片则显示了经过自动网格加密并达到合适网格尺寸的自由液面网格。

         

用 Fidelity Fine Marine 的 AGR 功能

进行自由液面处网格加密

启用 AGR 后可以发生什么？

1

根据实际流场计算加密标准

2

加密的标准会转化为各向同性或者各向异性去加密、粗化网格，或者不对网格进行任何调整

3

不论任何区域的需要也都可以实现进行网格粗化

4

自动负载平衡可确保多个计算节点的最佳稳健性和性能

         

AGR 调用原理步骤

AGR 的优势是 CPU 成本相对较低。可以经常调用 AGR，并用于空化等高度非定常流场特征模拟。

联合准则

针对空化模拟，我们主要关注在两个准则：多相界面和输运分量准则。

多相界面（MS）准则有助于捕捉水与空气或水与水蒸汽两种流体之间的自由液面或空化界面。通过设置目标网格大小，可以轻松控制自由液面处网格，从而获得高精度的自由液面捕捉效果。

输运分量 Hessian 准则（FCH）能捕捉所有的流动特征，并通过加密压力场和速度场的二阶导数矩阵来实现。它能很好地捕捉压力和速度，从而提供更高的流动求解精度。控制这一标准需要两个参数：一个是阈值，用于控制其对流动特征的敏感度；另一个是限制器，用于设置最小网格单元大小，避免网格过度细化。

         

使用 MS-FCH 联合准则进行网格自动加密

多相界面和输运分量 Hessian 准则皆由软件中的 MS-FCH 选项提供。仿真过程是各项因素的综合结果，包括控制灵敏度的 Hessian 阈值。您可以自由调整，在精确度、高灵敏度和相对局部仿真之间做出选择。通过选择适当的值，您可以确定所需的仿真类型。网格可动态适应流动，确保在任何时间和空间都能获得最佳网格尺寸。作为一名 CFD 工程师，您无需担心如何改进网格细化以捕捉物理现象，整体准则和阈值已经涵盖一切。它将捕捉自由液面、多相流界面和其它的重要流动特征。AGR 改变您的创建网格方式。

网格尺寸控制

         

修改 Hessian 阈值实现粗网格和细网格的切换

AGR 参数直接影响网格的细化。例如，在上面的二维水翼模型中，您可以改变 Hessian 阈值，在相对粗糙的网格和非常精细的网格之间切换。您可以从一开始就选择所需的精度。调整 Hessian 阈值就像进行网格收敛性研究一样方便。在传统的网格收敛性研究中，工程师需要创建从粗到细多套网格，然后比较计算结果。但使用 AGR 功能，只需改变一个值，就能获得不同的计算，无需重新生成网格。此外，也可以利用变量来模拟网格收敛性研究。

值得注意的是，用于仿真的理想网格不再需要事先准备，因为它本来就是仿真结果输出的一部分。

AGR 对粘性层的影响

在生成理想网格时，创建粗网格有很多优点。其中之一是可以更方便地在 Fidelity Hexpress 中插入边界层，而且膨胀技术可用于边界层厚度的微调，以确保与远场网格的平滑过渡。这种技术也保证了创建全六面体网格的可能性。

不过，粗网格也有一个缺点。如左图所示，非常密集的面网格加密会压缩粘性层，导致边界层厚度减少。另一方面，右图显示的是为 AGR 生成的更粗的网格，边界层的厚度要大得多。粗网格方案还会在粘性层中创建大区域大长宽比网格同时沿几何形状排列的边界层网格。通过观察右侧的网格，我们已经可以预知这样生成的网格精度会更高。

         

高密度的面网格加密压缩了粘性层厚度

粗网格生成

为了更好地理解 AGR 如何改变网格的生成方式，我们来看一个 3D 例子。这个实验中，我们不需要体加密，因为 AGR 已经可以做到网格加密。这样以来，我们就可以经济高效地生成网格。左边图片显示的是经典网格，右边图片显示的是被 AGR 粗化过的网格，可以例证 AGR 提供网格的稳健性和可信度水平。

         

AGR 技术粗化网格

 

简而言之，AGR 为 CFD 工程师提供了全新的工作流程，简化网格生成任务，同时确保网格数量和求解精度之间的完美平衡。通过创建粗网格并仿真计算出理想的网格，AGR 可以轻松进行非稳态情况下的网格收敛性研究。AGR 为实现更高的自动化水平铺平了道路，无需太多的技能和专业知识即可实现高稳健性和高可信度数值模拟。

如需了解更多有关使用 Fidelity Fine Marine 非稳态 AGR 模拟的信息，请点击文末“阅读原文”。

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