CFD技術(shù)在船舶推進中的應用-第一章解析課件

1、 CFD技術(shù)在船舶推進中的應用主講教師：沈海龍設(shè)課部門：水下機器人技術(shù)重點實驗室 CFD技術(shù)在船舶推進中的應用主講教師：沈海龍設(shè)課部門：CFD技術(shù)在船舶推進中的應用-第一章解析課件第一章 緒論 1.1 CFD技術(shù)的基本知識1.1.1 什么是CFD？ CFD是computational fluid dynamics的簡稱，準確的中文譯名為計算流體動力學，目前大家習慣的稱謂是計算流體力學，它是建立在經(jīng)典流體動力學與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)之上的一門新型獨立學科，通過計算機數(shù)值計算和計算結(jié)果的后處理技術(shù)，對包含有流體流動和熱傳導等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進行分析，在時間和空間上定量描述流場各物理量的近似解。 第一

2、章 緒論 1.1 CFD技術(shù)的基本知識1.1.1 什么是第一章 緒論 1.1.1 什么是CFD？ CFD的基本思想可以歸結(jié)為：用時間域及空間域上有限個離散點上的變量值構(gòu)成的集合，來替代在時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)學模型，尋求高效精確的數(shù)值計算方法，通過編寫程序和數(shù)值計算來實現(xiàn)數(shù)學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 緒論 1.1.1 什么是CFD？ CFCFD技術(shù)在船舶推進中的應用-第一章解析課件第一章 緒論 1.1.2 為什么要學習CFD技術(shù) 在流體力學

3、中，常用的研究方法有理論研究方法、CFD方法、實驗測量與觀察，他們構(gòu)成了研究流體流動問題的完整體系,三種方法取長補短，相互促進。實驗研究是理論研究和CFD的基礎(chǔ)，是建立運動規(guī)律與理論模型的依據(jù)；理論研究反過來指導實驗研究和驗證新的數(shù)值計算方法；而 CFD則是建立在理論研究和實驗研究的基礎(chǔ)上，它借助實驗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)學模型。第一章 緒論 1.1.2 為什么要學習CFD技術(shù) 第一章 緒論 1.1.2 為什么要學習CFD技術(shù) 理論研究方法的特點:通過實驗測量與觀察對流體的物理性質(zhì)及運動特性進行分析研究，設(shè)計出合理的理論模型，根據(jù)流體流動遵循的

4、普遍定律及相關(guān)公式，建立描述流體運動規(guī)律的封閉方程組（積分形式或微分形式）以及與之相應的初始條件和邊界條件，利用各種數(shù)學工具準確地解出方程組的精確解或解析解，進而清晰、普遍地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雜的流動問題。 第一章 緒論 1.1.2 為什么要學習CFD技術(shù) 第一章 緒論 1.1.2 為什么要學習CFD技術(shù) 實驗研究方法的特點：能夠針對所研究的問題，設(shè)計完全相同或滿足相似理論的試驗模型進行觀測，所得到的結(jié)果真實可信，但是實驗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）還無法在實驗室進行實驗研究

5、，此外，實驗還會遇到經(jīng)費、人力和物力的巨大耗費及周期長等許多困難。第一章 緒論 1.1.2 為什么要學習CFD技術(shù) 第一章 緒論 1.1.2 為什么要學習CFD技術(shù) 而CFD方法恰好克服了前兩種方法的缺點，能夠解決理論研究方法無法解決的復雜流動問題，與實驗方法相比，它所需的費用和時間都比較少，并且不受模型尺寸的限制，很容易模擬特殊尺寸、有毒、高溫、易燃等真實條件以及實驗中只能接近而無法達到的理想條件。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)學模型。第一章 緒論 1.1.2 為什么要學習CFD技術(shù) 第一章 緒論 1.1.3 CFD方法的分支 經(jīng)過半個世紀的

6、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)有限體積法（finite volume method，F(xiàn)VM）。第一章 緒論 1.1.3 CFD方法的分支 經(jīng)第一章 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，用有限個網(wǎng)格節(jié)點代替連續(xù)的求解域，然后將偏微分方程(控制方程)的導數(shù)用差商代替

7、，推導出離散點上未知數(shù)的差分方程組。第一章 緒論 1.1.3 CFD方法的分支(1)有限差分法(第一章 緒論 1.1.3 CFD方法的分支 (2)有限元法(FEM) 是將一個連續(xù)的求解域任意分成適當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，形成嵌入了指定邊界條件的代數(shù)方程組，求解該方程組就得到各節(jié)點上待求的函數(shù)值。第一章 緒論 1.1.3 CFD方法的分支 (2)有限元法(第一章 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，是將計算區(qū)域

8、劃分為網(wǎng)格，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個互不重復的控制體積，將待解的微分方程對每個控制體積積分，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，從而對整個計算區(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。第一章 緒論 1.1.3 CFD方法的分支(3)有限體積法(第一章 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，僅當網(wǎng)格極其細密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準確的積分守恒，而且計算量相對較小，是目前CFD應用最廣的一種方法，如CFX、FL

9、UENT軟件等均采用有限體積法。第一章 緒論 1.1.3 CFD方法的分支 有一第一章 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)學模型，即理論研究部分的主要工作。 2、尋求高效率、高準確度的計算方法。計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 緒論 1.1.4 CFD方法研究流體流動問題的主要步第一章 緒論 1.1.4 CFD方法研究流體流動問題的主要步驟 3、編制程序和進行計算。這部分工作包括計算網(wǎng)格的劃分、初始條件和邊界條

10、件的輸入、控制參數(shù)的設(shè)定等，是整個工作中花費時間最多的部分。當求解的問題比較復雜時，還需要通過實驗加以驗證。 4、計算結(jié)果的后處理。后處理工作既包括計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、散點圖、曲線圖等。第一章 緒論 1.1.4 CFD方法研究流體流動問題的主要步第一章 緒論 1.1.5 CFD軟件 為了完成CFD計算，既需要理論研究方法和數(shù)值計算方法方面的堅實基礎(chǔ)，又需要具備編寫計算程序的能力，顯然，CFD的初學者不能同時具備這些條件。然而，自1981年以來，出現(xiàn)了如FLUENT、 CFX、 PHOENICS、STAR

11、-CD、FIDAP、FINE/MARINE等多個商用CFD軟件，使得CFD的初學者能夠利用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)在船舶推進中的應用。第一章 緒論 1.1.5 CFD軟件 為了完成C第一章 緒論 1.1.5 CFD軟件 FLUENT是一個用于模擬和分析在復雜幾何區(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，提供人機交互的菜單界面，用戶可通過多窗口方式隨時觀察計算進程和計算結(jié)果。FLUENT提供用戶編程接口，讓用戶

12、定制或控制相關(guān)的計算和輸入輸出。FLUENT軟件包由前處理器、求解器和后處理器構(gòu)成。第一章 緒論 1.1.5 CFD軟件 FLUEN第一章 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，同時具備簡單的后處理功能；較復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 緒論 1.1.5 CFD軟件 前處理器第一章 緒論 1.1.6 基于FLUENT軟件求解流動問題的步驟 首先應針對所要求解的物理問題進行初步判斷，明確CFD方法能提供的結(jié)果

13、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，是否需要應用其他物理模型等，然后就可以按以下流程進行求解。 (1)生成幾何模型，建立求解控制域，生成計算網(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 緒論 1.1.6 基于FLUENT軟件求解流動問題的第一章 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 緒論

14、 1.1.6 基于FLUENT軟件求解流動問題的第一章 緒論 1.1.6 基于FLUENT軟件求解流動問題的步驟 (11)迭代計算； (12)判斷計算結(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)格或求解參數(shù)，重復上述過程。第一章 緒論 1.1.6 基于FLUENT軟件求解流動問題的第一章 緒論 第2 節(jié) CFD技術(shù)的應用現(xiàn)狀 CFD是20世紀60年代伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速崛起的學科，經(jīng)過半個世紀的迅猛發(fā)展，目前己相當成熟，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，應用范圍不斷擴大。如今，CFD技術(shù)的應用早己超越傳統(tǒng)的流體力學和流體工程的范

15、疇，被廣泛應用于航空航天、能源動力、交通運輸、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 緒論 第2 節(jié) CFD技術(shù)的應用現(xiàn)狀 第一章 緒論 第2 節(jié) CFD技術(shù)的應用現(xiàn)狀 在船舶與海洋工程中的應用包括：（1）應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能，包括物理量的預報和流場細節(jié)預報；（2）CFD技術(shù)的工程化應用。第一章 緒論 第2 節(jié) CFD技術(shù)的應用現(xiàn)狀 第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（1）舵、翼、鰭等水動力性能預報第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的圖1 基于NACA0015剖面設(shè)計M1

16、剖面圖2 基于NACA0015剖面設(shè)計M2剖面圖1 基于NACA0015剖面設(shè)計M1剖面圖2 基于NACA圖3 NACA0015、M1、M2剖面水動力性能的預報與比較圖3 NACA0015、M1、M2剖面水動力性能的預報與比較圖4 設(shè)計舵翼外形RW1 圖5 設(shè)計舵翼外形RW2 圖6 設(shè)計舵翼外形RW3 圖7 舵翼初始外形 圖4 設(shè)計舵翼外形RW1 圖5 設(shè)計舵翼外形RW2 圖6 設(shè)圖8 采用M2剖面和各外形的舵翼性能預報與比較圖8 采用M2剖面和各外形的舵翼性能預報與比較圖9 性能最佳的舵翼（M2剖面與RW3外形組合）圖9 性能最佳的舵翼（M2剖面與RW3外形組合）第一章 緒論 1.2.1應用

17、CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（2）螺旋槳水動力性能預報圖10 典型常規(guī)螺旋槳的推力、轉(zhuǎn)矩及效率預報第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的圖11 螺旋槳葉背處速度與壓力分布預報圖11 螺旋槳葉背處速度與壓力分布預報圖12 螺旋槳尾流預報圖12 螺旋槳尾流預報圖13 螺旋槳空泡預報圖13 螺旋槳空泡預報第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（3）裸船體阻力預報圖14 KCS船裸船體阻力求解模型第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（4

18、）船體與舵相互干擾的性能預報圖15 57k散貨船船舵干擾求解模型第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（5）船槳干擾性能預報圖16 KCS船與KP505槳整體求解模型第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（6）船槳舵相互干擾的性能預報圖17 57k船槳舵整體求解模型第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（7）潛器水動

19、力性能預報圖18 潛艇表面壓力分布云圖第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（8）船舶六自由度運動性能預報圖19 船舶六自由度運動與破碎波捕捉第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（9）船舶在波浪中的運動性能分析圖20 船舶在波浪中的運動性能分析第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（10）實船與船模尺度效應預報圖2

20、1 實船與船模尺度效應預報第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（11）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 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動力性能（12）流場細節(jié)預報圖23 流經(jīng)槳盤面的流體軌跡預報第一章 緒論 1.2.1應用CFD技術(shù)預報船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的第一章 緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應用（1）附體設(shè)計與性能預報圖24 舵球第一章 緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應用（

21、1）附體設(shè)第一章 緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應用（2）產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計與性能預報圖25 某散貨船船首與船尾方案比較第一章 緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應用（2）產(chǎn)品優(yōu)第一章 緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應用（3） 仿制先進產(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)資料圖片第一章 緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應用（3） 仿制圖27 仿制的ACTUV對比圖片圖27 仿制的ACTUV對比圖片圖28 CFD預報的仿制ACTUV航速與功率之間關(guān)系曲線圖28 CFD預報的仿制ACTUV航速與功率之間關(guān)系曲線第一章 緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應用（4） 產(chǎn)品的自主創(chuàng)新設(shè)計第一章 緒論 1.2.2 CFD技術(shù)的工程化應用（4） 產(chǎn)品圖30 融合“Stiletto短劍號”與“bladerunner 51”優(yōu)點后自主設(shè)計的新船型圖29 “Stiletto短劍號”M型船與“bladerunner 51”網(wǎng)絡(luò)圖片圖30 融合“Stiletto短劍號”與“bladerun第一章 緒論 第3 節(jié) CFD技術(shù)的應用技巧1.3.1 GAMBIT軟件的應用第