不要讓空化成為影響船舶性能的罪魁禍首

本文翻譯轉(zhuǎn)載于：Cadence blog

作者：Veena Parthan

空化對現(xiàn)代船只設(shè)計提出了嚴峻挑戰(zhàn)，尤其是對參加美洲杯帆船賽、旺代單人環(huán)球帆船賽和朗姆之路跨大西洋帆船賽等賽事的高速帆船而言。尤其是水翼極易受到空化的影響，空化會導(dǎo)致空蝕，損壞船只表面，甚至出現(xiàn)災(zāi)難性故障，使船員面臨危險，從而帶來巨大經(jīng)濟損失。螺旋槳也會受到空化空蝕的影響，導(dǎo)致效率下降、耐用性降低，以及隨之而來的昂貴的更換費用。

在本篇內(nèi)容中，我們將探討 Fidelity Fine Marine 中的自適應(yīng)網(wǎng)格加密（AGR）高級功能如何幫助建模和模擬水翼的空化空蝕，以更快的速度獲得更準確的結(jié)果。不再讓空化空蝕影響您的船只性能。有了 Fine Marine，您就能迎難而上，在比賽中保持領(lǐng)先！

DTC 螺旋槳——高爾夫（2018）

空化模擬

空化仿真需要引入一個全新的相——汽相，即水蒸汽。因此，空化仿真有三相，分別是液相、汽相以及自由液面。更重要的是流動屬于復(fù)雜的非定常流，如下圖所示的空化的脫落等非定常特征。此外，空化的仿真技術(shù)也高度依賴網(wǎng)格。為了正確捕捉空化的細節(jié)特征，必須在確定的區(qū)域保證網(wǎng)格的加密。這一過程非常耗時，且需要大量的技能和專業(yè)知識儲備。

? ? ? ? ?

格勒諾布爾 LEGI 空化水洞

Fine Marine自適應(yīng)網(wǎng)格

加密技術(shù)（AGR）

AGR 被廣泛用于各應(yīng)用模擬，如阻力和耐波性、自航以及水翼和螺旋槳空氣卷吸等。事實證明，這項技術(shù)在提高精度和減少計算時間方面是可靠且有用的。Fine Marine 中的 AGR 模塊簡化了此類應(yīng)用的設(shè)置流程。

AGR 基礎(chǔ)概念

Fine Marine AGR 技術(shù)應(yīng)用非常簡潔。根據(jù)評估標準，對初始網(wǎng)格單元進行各向同性和各向異性網(wǎng)格加密。AGR 可以對自由液面處網(wǎng)格進行加密，以獲得所需的網(wǎng)格精細尺度。左側(cè)圖片顯示沒有經(jīng)過加密的自由液面網(wǎng)格，而右側(cè)圖片則顯示了經(jīng)過自動網(wǎng)格加密并達到合適網(wǎng)格尺寸的自由液面網(wǎng)格。

? ? ? ? ?

用 Fidelity Fine Marine 的 AGR 功能

進行自由液面處網(wǎng)格加密

啟用 AGR 后可以發(fā)生什么？

1

根據(jù)實際流場計算加密標準

2

加密的標準會轉(zhuǎn)化為各向同性或者各向異性去加密、粗化網(wǎng)格，或者不對網(wǎng)格進行任何調(diào)整

3

不論任何區(qū)域的需要也都可以實現(xiàn)進行網(wǎng)格粗化

4

自動負載平衡可確保多個計算節(jié)點的最佳穩(wěn)健性和性能

? ? ? ? ?

AGR 調(diào)用原理步驟

AGR 的優(yōu)勢是 CPU 成本相對較低?？梢越?jīng)常調(diào)用 AGR，并用于空化等高度非定常流場特征模擬。

聯(lián)合準則

針對空化模擬，我們主要關(guān)注在兩個準則：多相界面和輸運分量準則。

多相界面（MS）準則有助于捕捉水與空氣或水與水蒸汽兩種流體之間的自由液面或空化界面。通過設(shè)置目標網(wǎng)格大小，可以輕松控制自由液面處網(wǎng)格，從而獲得高精度的自由液面捕捉效果。

輸運分量 Hessian 準則（FCH）能捕捉所有的流動特征，并通過加密壓力場和速度場的二階導(dǎo)數(shù)矩陣來實現(xiàn)。它能很好地捕捉壓力和速度，從而提供更高的流動求解精度。控制這一標準需要兩個參數(shù)：一個是閾值，用于控制其對流動特征的敏感度；另一個是限制器，用于設(shè)置最小網(wǎng)格單元大小，避免網(wǎng)格過度細化。

? ? ? ? ?

使用 MS-FCH 聯(lián)合準則進行網(wǎng)格自動加密

多相界面和輸運分量 Hessian 準則皆由軟件中的 MS-FCH 選項提供。仿真過程是各項因素的綜合結(jié)果，包括控制靈敏度的 Hessian 閾值。您可以自由調(diào)整，在精確度、高靈敏度和相對局部仿真之間做出選擇。通過選擇適當?shù)闹?，您可以確定所需的仿真類型。網(wǎng)格可動態(tài)適應(yīng)流動，確保在任何時間和空間都能獲得最佳網(wǎng)格尺寸。作為一名 CFD 工程師，您無需擔心如何改進網(wǎng)格細化以捕捉物理現(xiàn)象，整體準則和閾值已經(jīng)涵蓋一切。它將捕捉自由液面、多相流界面和其它的重要流動特征。AGR 改變您的創(chuàng)建網(wǎng)格方式。

網(wǎng)格尺寸控制

? ? ? ? ?

修改 Hessian 閾值實現(xiàn)粗網(wǎng)格和細網(wǎng)格的切換

AGR 參數(shù)直接影響網(wǎng)格的細化。例如，在上面的二維水翼模型中，您可以改變 Hessian 閾值，在相對粗糙的網(wǎng)格和非常精細的網(wǎng)格之間切換。您可以從一開始就選擇所需的精度。調(diào)整 Hessian 閾值就像進行網(wǎng)格收斂性研究一樣方便。在傳統(tǒng)的網(wǎng)格收斂性研究中，工程師需要創(chuàng)建從粗到細多套網(wǎng)格，然后比較計算結(jié)果。但使用 AGR 功能，只需改變一個值，就能獲得不同的計算，無需重新生成網(wǎng)格。此外，也可以利用變量來模擬網(wǎng)格收斂性研究。

值得注意的是，用于仿真的理想網(wǎng)格不再需要事先準備，因為它本來就是仿真結(jié)果輸出的一部分。

AGR 對粘性層的影響

在生成理想網(wǎng)格時，創(chuàng)建粗網(wǎng)格有很多優(yōu)點。其中之一是可以更方便地在 Fidelity Hexpress 中插入邊界層，而且膨脹技術(shù)可用于邊界層厚度的微調(diào)，以確保與遠場網(wǎng)格的平滑過渡。這種技術(shù)也保證了創(chuàng)建全六面體網(wǎng)格的可能性。

不過，粗網(wǎng)格也有一個缺點。如左圖所示，非常密集的面網(wǎng)格加密會壓縮粘性層，導(dǎo)致邊界層厚度減少。另一方面，右圖顯示的是為 AGR 生成的更粗的網(wǎng)格，邊界層的厚度要大得多。粗網(wǎng)格方案還會在粘性層中創(chuàng)建大區(qū)域大長寬比網(wǎng)格同時沿幾何形狀排列的邊界層網(wǎng)格。通過觀察右側(cè)的網(wǎng)格，我們已經(jīng)可以預(yù)知這樣生成的網(wǎng)格精度會更高。

? ? ? ? ?

高密度的面網(wǎng)格加密壓縮了粘性層厚度

粗網(wǎng)格生成

為了更好地理解 AGR 如何改變網(wǎng)格的生成方式，我們來看一個 3D 例子。這個實驗中，我們不需要體加密，因為 AGR 已經(jīng)可以做到網(wǎng)格加密。這樣以來，我們就可以經(jīng)濟高效地生成網(wǎng)格。左邊圖片顯示的是經(jīng)典網(wǎng)格，右邊圖片顯示的是被 AGR 粗化過的網(wǎng)格，可以例證 AGR 提供網(wǎng)格的穩(wěn)健性和可信度水平。

? ? ? ? ?

AGR 技術(shù)粗化網(wǎng)格

?

簡而言之，AGR 為 CFD 工程師提供了全新的工作流程，簡化網(wǎng)格生成任務(wù)，同時確保網(wǎng)格數(shù)量和求解精度之間的完美平衡。通過創(chuàng)建粗網(wǎng)格并仿真計算出理想的網(wǎng)格，AGR 可以輕松進行非穩(wěn)態(tài)情況下的網(wǎng)格收斂性研究。AGR 為實現(xiàn)更高的自動化水平鋪平了道路，無需太多的技能和專業(yè)知識即可實現(xiàn)高穩(wěn)健性和高可信度數(shù)值模擬。

如需了解更多有關(guān)使用 Fidelity Fine Marine 非穩(wěn)態(tài) AGR 模擬的信息，請點擊文末“閱讀原文”。

關(guān)于 Cadence

Cadence 是電子系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的關(guān)鍵領(lǐng)導(dǎo)者，擁有超過 30 年的計算軟件專業(yè)積累?；?a target="_blank">公司的智能系統(tǒng)設(shè)計戰(zhàn)略，Cadence 致力于提供軟件、硬件和 IP 產(chǎn)品，助力電子設(shè)計概念成為現(xiàn)實。Cadence 的客戶遍布全球，皆為最具創(chuàng)新能力的企業(yè)，他們向超大規(guī)模計算、5G 通訊、汽車、移動設(shè)備、航空、消費電子、工業(yè)和醫(yī)療等最具活力的應(yīng)用市場交付從芯片、電路板到完整系統(tǒng)的卓越電子產(chǎn)品。Cadence 已連續(xù)九年名列美國財富雜志評選的 100 家最適合工作的公司。如需了解更多信息，請訪問公司網(wǎng)站 www.cadence.com。

2023 Cadence Design Systems, Inc. 版權(quán)所有。在全球范圍保留所有權(quán)利。Cadence、Cadence 徽標和 www.cadence.com/go/trademarks 中列出的其他 Cadence 標志均為 Cadence Design Systems, Inc. 的商標或注冊商標。所有其他標識均為其各自所有者的資產(chǎn)。