Исследование программного обеспечения CFD с открытым исходным кодом на верфях Анализ газовыпуска на больших яхтах с использованием openFoam Магистерская диссертация CARL JASCHA MORDHORST Department of Shipping and Marine Technology Division of Sustainable Ship Propulsion CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Göteborg, Sweden, 2011 Report No. X-11/262 Аннотация Современное проектирование требует детального знания сил, направлений потока и скоростей при проектировании транспортных средств будущего. В судостроительной промышленности это традиционно делается в экспериментах в опытовых бассейнах и аэродинамических трубах или благодаря многолетнему опыту квалифицированных инженеров. В последние годы методы вычислительной гидродинамики (CFD) развились до такой степени, что они становятся интересными не только с финансовой, но и с точки зрения производительности, для больших верфей в качестве дополнительных данных и для долгосрочного мышления как полная альтернатива экспериментам. Специальная ветка верфей, строящих роскошные яхты, как и любой другой бизнес, находится в сильной конкуренции и должна работать экономно. Выполнение обоих методов с одной стороны может быть очень дорогим. С другой стороны, для этих высокотехнологичных верфей предъявляются особые требования, которые могут меняться чаще, чем для коммерческих судов, CFD часто является желательным методом для освоения верфями. Программное обеспечение с открытым исходным кодом (OSS) openFoam® дает возможность включить в процесс проектирования без значительных инвестиционных затрат современный метод CFD и получить «бесплатный» опыт работы с технологиями будущего. Настоящая диссертация показывает сильные и слабые стороны openFoam® в судостроительной промышленности для верфи Friedrich Lürssen в Бремене и в тесном сотрудничестве с ней. Верфь специализируется на строительстве роскошных яхт длиной более 60 метров и морских судов длиной более 30 метров. Из-за классической структуры папок openFoam® было создано несколько учебных пособий для изучения этой цели. Они отражают типичные ситуации течения, необходимые верфи для проектировочного анализа, это шаблон аэродинамической трубы, шаблон опытового бассейна, учебное пособие по затоплению и посадке, инструмент для анализа тепла и инжектор частиц. Помимо важных расчетов сопротивления основное внимание уделялось анализу поведения выхлопных газов. Клиенты мегаяхт требуют минимально возможного загрязнения воздуха на палубе, поэтому обширные эксперименты в аэродинамической трубе проводятся на ранних стадиях проектирования. Аэродинамический учебник был создан как альтернатива этим экспериментам. Удовлетворительные результаты были достигнуты с openFoam® по сравнению с тестами, проведенными Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt (HSVA). Чтобы показать различия в производительности с коммерческим программным обеспечением, гидродинамические результаты решателя openFoam® сравнивались с StarCCM + CD-adapco. Теперь исследование ясно показало, что openFoam® является конкурентоспособным по отношению к экспериментам и коммерческому программному обеспечению CFD. Когда дорогостоящее обучение openFoam® не оплачивается за время, необходимое для накопления опыта работы с openFoam®, это длительное время, но оно может быть значительно сокращено за счет использования ранее подготовленных учебных пособий. В проекте корабля наиболее важные симуляции меняются не очень часто, так что эта структура может помочь верфи. Но необычная структура и неудовлетворительная документация на продукцию устанавливают достаточно высокие пределы для судостроительного бизнеса, ограниченного во времени,чтобы рисковать, используя академически разработанные инструменты. Essentially, all models are wrong, but some models are useful --George E. P. Box (Professor Emeritus of Statistics) Благодарности Прежде всего, я хотел бы поблагодарить Фридрих Люрссен Ярд за поддержку этого дипломного проекта и всех во дворе за очень хорошую рабочую среду. Я особенно благодарен своему начальнику на верфи, доктору Роберту Штюку, который оказал мне большую помощь и оказывал живую помощь каждый раз, когда у меня возникали вопросы. Под аспектом проводить много времени помимо своей работы, делает его усилия еще более ценными. Я надеюсь, что он может использовать то, что я подготовил. Профессор Рикард Бенсоу с большим интересом руководил диссертацией со стороны Чалмерского университета и помог определить профиль диссертации, когда понадобилась помощь. Большое спасибо за открытое ухо и стимулирующие обсуждения в течение последних шести месяцев. Также я хочу поблагодарить весь отдел теории корабля верфи за все советы и подсказки во время дипломной работы, за то, что вы поделились своей огромной мудростью военно-морской архитектуры и за то, что были такими хорошими коллегами. Это были Матиас Сонлейн, Лестер Шелхорн, Конни Бартельс и последний, но не менее важный Феликс Титген, без которого у меня не было бы проблем с прибытием на верфь почти все дни. Саша Грубе посвятил большую часть своего времени работе с моделями САПР и продемонстрировал отличные навыки в проектировании и визуализации всех видов вычислений. Спасибо, что позволили мне использовать свой собственный дизайн яхты в качестве тестовой базы. В конце я хотел бы поблагодарить мою семью и друзей за то, что они всегда оказывали мне большую поддержку, особенно любовь всей моей жизни, Керстин Эверт. Abbreviations BL – Boundary Layer CD – Drag Coefcient CDS – Central Diferencing Scheme CFD – Computatonal Fluid Dynamics CL – Lif Coefcient CV – Control Volume DoF – Degrees of Freedom DNS – Direct Numerical Simulaton FN – Froude Number FVM – Finite Volume Method GUI – Graphical User Interface GCI – Grid Convergence Index HSVA – Hamburgische Schifaua Versuchsanstalt (Hamburg Ship Model Basin) HVAC – Heatng Ventlaton Air Conditoning IT – Informaton Technology Kts – Knots LES – Large Eddie Simulaton LOA – Length Overall MPI – Message Passing Interface MUSCL – Monotone Upstreamacentered Schemes for Conservaton Laws NSE – NavieraStokes Equatons PLIC – PiecewiseaLinear Interface Calculaton RANS – ReynoldsaAveraged NavieraStokes OSS – Open Source Sofware Re – Reynolds Number RSM – Reynolds Stress Model sHM – snappyHexMesh SIMPLE – SemiaImplicit Method for PressureaLinked Equatons UDS – Upwind Diferencing Scheme V&V – Verifcaton and Validaton VOF – Volume of Fluid Symbols & Definitions ε Turbulent Dissipaton κ Von Kármán Constant μ, mu Dynamic Viscosity [Pa*s] ν, nu Kinematc Viscosity [m² s] ρ Density [kg m3] ω Specifc Dissipaton [m2 s3] Γ Difusion Coefcient φ Velocity Potental ϕv Convected Variable k Turbulent Kinetc Energy [m2 s2] p Pressure [Pa] t Time [s] T Temperature [K] U Flow Velocity [m s] V Turbulent Velocity [m s] 𝕧 Velocity Vector [m s] 𝕧´ Fluctuatng Flow Velocity Vector [m s] � Mean Velocity Vector [m s] u, v, w Flow Velocites in x, y, z [m s] u´, v´, w´ Fluctuatng Flow Velocites in x, y, z [m s] U, V, W Mean Flow Velocites in x, y, z [m s] x, y, z Cartesian Coordinates 1. Введение Определение направлений, скоростей и сил потока является очень важной задачей в большинстве отраслей машиностроения. В частности, морские инженеры во всем мире заинтересованы в получении информацию об обтекании корабля в течение длительного времени. Обычно это делается в аэродинамических трубах и опытовых бассейнах или собирается из опыта, накопленного в течение долгого времени. Поскольку для большинства сложных случаев течения аналитическое решение недоступно, практические правила недостаточно детализированы, а эксперименты стоят дорого, компьютерные решения становятся все более популярными с ростом вычислительной мощности и улучшением математических моделей. Эта область исследований называемая вычислительной гидродинамикой (CFD) и была основной темой данной диссертации. Текущая глава покажет, где именно находится диссертация в этой области исследования (Глава 1.2) и почему она была выполнена (Глава 1.1). В главе 1.3 представлена структура и подход диссертации. 1.1. Цель дипломной работы Магистерская работа направлена на разработку нескольких различных стандартных моделей CFD для Fr. Lürssen shipyard в Бремене, Германия - производителя роскошных яхт по индивидуальному заказу с LOA более 60 м - с использованием открытого исходного кода openFoam® (версия 1.7.1 в Ubuntu 10.04) и тестирование применимости программного обеспечения с открытым исходным кодом на верфях. Модели должны иметь возможность рассчитывать поток выхлопных газов выше и ниже расчетной ватерлинии вокруг любой новой разработанной яхты Lürssen. Предполагалось, что это станет вкладом как для машиностроения, так и для отдела теории корабля верфи. 1.2. История проекта В прошлом веке сложные методы CFD превратились из научного в отраслевой инструмент. Они пока не дают полностью правильного решения, но могут дать сопоставимые результаты для опытного пользователя за более короткое время и с меньшими затратами, чем это делают эксперименты [1]. Хотя прогнозы гидро- и аэродинамического сопротивления являются наиболее важными для большинства судостроительных верфей, методы CFD могут также использоваться для исследования других ситуаций потока. Для круизных судов и больших моторных яхт знание распределения выхлопных газов на палубе и под ватерлинией имеет решающее значение для удовлетворения требовательных потребностей клиентов. Подобно военно-морским судам, обтекание вертолетных площадок также важно для понимания, чтобы гарантировать безопасность полетов вертолетов. Анализ потока с помощью испытаний в аэродинамической трубе и опытовом бассейне является дорогостоящим и поэтому используется только на более поздних этапах проектирования. Чтобы иметь возможность изучать и варьировать конструкцию выходных отверстий, методы CFD могут использоваться также уже на ранних стадиях. Исследования в этой области ранее проводились Kulkarni [2] или Moctar [3]. OpenFoam® сам по себе начинает представлять интерес для судостроительной отрасли, поскольку он бесплатный и высокоразвитый. Одной из причин его низкого распространения в настоящее время может быть чисто академическое образование и необычное обращение с openFoam®. Надежный графический интерфейс пользователя (GUI) сегодня недоступен. Чтобы удовлетворить различные потребности двух основных вычислений, диссертация была разделена на две части - аэродинамическую и гидродинамическую части. Модели для аэродинамических расчетов были две новые яхты Lürssen с LOA более 100 м. Эксперименты в аэродинамической трубе, выполненные в HSVA, были использованы для проверки правильности расчета. Поскольку яхты еще не построены, в этом отчете они назывались «MYacht» и «AYacht». Кроме того, все иллюстрации, показывающий геометрию и важные размеры судов, должен был так или иначе искажаться. Для гидродинамической части использовалась более старая яхта, которая в этом тезисе была названа "CYacht". Ее можно найти в той же области длины, что и две другие яхты, и она была особенно интересна из-за ее отчетливых подводных выпускных отверстий - объекта исследования этой части. 1.3. Подход и структура диссертации Количество времени, необходимое для подготовки и выполнения стольких вычислений CFD, сколько было необходимо для такого проекта со стандартными рабочими станциями, сделало жизненно важным правильную структуру и организацию работы. Было желательно перекрыть время фактических вычислений с подготовкой следующей задачи в максимально возможной степени. Диссертация достаточно точно соответствует действительному порядку этапов работы и показывает, как эта проблема решается. После обширных исследований современных методов и возможностей был определен общий подход. Чтобы дать справочную информацию о выбранном подходе, необходимая теория представлена в главе 2, которая содержит определяющие уравнения 2.1 и несколько слов о расчете турбулентных и многофазных потоков 2.2. Расчет CFD только настолько хорош, насколько хороша его настройка и требует постоянной оценки результатов на этом пути. Вначале необходимо несколько грубых циклов расчета, чтобы собрать информацию о предпосылках рассматриваемой проблемы. В качестве выходных данных из этих циклов в главе 3 представлена схема расчета как аэродинамических, так и гидродинамических расчетов. Чтобы проверить качество сетки, было проведено исследование сходимости сетки для сетки, которая использовалась в аэродинамическом расчете, и производительности используемых методы были оценены (см. главу 4). С этого момента были сделаны итерации с меньшими изменениями, которые привели к проверке и дальнейшему совершенствованию установки, пока результат не продемонстрировал хорошее сходство с экспериментами. В частности, аэродинамические расчеты были сопоставлены с экспериментом в аэродинамической трубе, а гидродинамический расчет сравнивался с коммерческим программным обеспечением. Подтвержденные и завершенные результаты показаны в главе 5 и, наконец, обсуждаются в главе 6. Взгляд на будущую работу представлен в главе 7. Различные части диссертации также представлены на рисунке 1.1. 2. Теория Динамическое поведение любой конфигурации потока может быть описано несколькими общими законами в физике. В первом разделе 2.1 представлены наиболее важные уравнения, которые были получены из этих законов, а также то, как уравнения могут быть упрощены для облегчения процесса решения. Аналитическое решение этих уравнений труднодостижимо для большинства инженерных задач, как было сказано ранее. Вот почему используются методы CFD, которые подходят к проблеме численно. Важные методы и некоторые дополнительные теории теперь показаны во втором разделе 2.2. Для заинтересованных читателей, которым требуется более широкий взгляд на тему CFD, пожалуйста, обратитесь к стандартным учебникам Ферзигера и Перика [4], Верстайга и Малалазекры [5], Блазека [6] или аналогичных. Безусловно, большая часть информации в этих главах была взята из этих книг. 2.1. Управляющие уравнения Ранее упомянутые физические законы - это законы сохранения массы, энергии и импульса, которые описаны в следующих двух разделах. Эти основные свойства жидкостей в основном определяются вязкостью η и плотностью ρ и в основном являются функциями температуры T, давления p и скорости U. Поскольку проблемы с потоком ограничены в пространстве, рассматривается поток жидкости через произвольный единственный контрольный объем (CV), чтобы получить знания об этих свойствах. Потоки жидкости можно различить в ламинарных и турбулентных потоках. В этой работе были исследованы турбулентные потоки, возникающие, когда U изменяется неупорядоченно во времени и пространстве. Величина турбулентности коррелирует с величинами скорости потока и вязкости, то есть числом Рейнольдса (Re). Все явления турбулентности в потоке в основном непредсказуемы, но с некоторыми упрощениями (см. Главу 2.1.2) можно получить хорошее представление о поведении потока в макромасштабе. В судостроительной промышленности сильная турбулентность в большинстве случаев нежелательна, поскольку увеличивает сопротивление трения судна или разрушает плавный воздушный поток вокруг надстройки. В следующих разделах показано, что вы используете разные вычислительные методы для ламинарного и турбулентного потока. 2.1.1. Уравнения непрерывности и Навье-Стокса Закон сохранения массы гласит, что полный чистый перенос массы через границы (то есть поток массы) системы, в данном случае контрольного объема, равен нулю, если не рассматриваются источники. Это означает, что ни один процесс внутри контрольного объема не может изменить количество массы, то есть никакая масса не может быть разрушена или создана. Закон представлен так называемым уравнением непрерывности (уравнение 2.1). Аналогичный закон существует и для энергии. Закон сохранения энергии гласит, что полная энергия в замкнутой системе (опять же в данном случае это контрольный объем) остается неизменной во времени [7]. Соответствующее соотношение просто говорит о том, что сумма всей потенциальной и всей кинетической энергии в системе равна полной энергии. Чтобы получить детальное представление о потоке, рассматриваются уравнения Навье-Стокса (уравнение 2.2 - уравнение 2.4) (NSE) для сжимаемой жидкости. Вместе с уравнением неразрывности и законом энергии они дают полную картину характеристик потока. NSE была разработана на основе уравнения импульса, которое представляет собой применение законов движения Ньютона для континуума (подробные выводы приведены в упомянутых учебниках). Он состоит из нескольких частей, каждая из которых представляет движущую силу, действующую на жидкость, где: Чтобы упростить уравнение для различных ситуаций потока, некоторыми из его частей, показанных выше, можно пренебречь или заменить упрощающей моделью. Это экономит вычислительное время или делает NSE аналитически разрешимым, но также иногда приводит к ошибкам. Типичные приближения и методы моделирования можно увидеть в следующем разделе. 2.1.2. Упрощенные уравнения и аппроксимации течения Инженер, работающий над проблемой обтекания, всегда получит лучшие результаты, вычисляя NSE напрямую. Поскольку вычислительные ресурсы обычно не позволяют этого, более практичным подходом является упрощение определенных частей уравнения или полное удаление части, когда она не нужна. Например, наименьшие вихри в потоке обычно не учитываются в практических целях, поскольку их влияние на общее решение довольно мало, но они будут включены, если будет решена полная NSE. Первое и очень общее приближение уже было сделано в этом тезисе. Для следующих уравнений и расчетов предполагалось несжимаемое течение. Это означает, что производная по времени от ρ становится нулевой. Приближение может быть сделано для текучих сред, которые использовались в этом тезисе - вода и низкоскоростной воздух (число Маха <0,3) [1]. 2.1.2.1. Аппроксимация Буссинеска Приближение Буссинеска включает моделирование гравитационного свободного потока, в котором изменениями плотности можно пренебречь в конвективной и нестационарной части NSE, и допускаются умеренные градиенты температуры. Его преимуществом является уменьшение сложности за счет принятия одной общей плотности для различных потоков вещества в потоке. Это может быть использовано, например, в расчете океанических течений или естественной вентиляции в домах. 2.1.2.2. Эйлерово и потенциальное течения Другой подход используется Эйлером и теорией потенциального потока. Здесь манипулируют не плотностью, а вязкостью, которой полностью пренебрегают. Если вязкие силы в потоке не учитываются, NSE упрощается до так называемого уравнения Эйлера (уравнение 2.5). Уравнение может быть использовано для вычисления сжимаемых течений с большими числами Маха [8]. Это может быть сделано, так как подразумеваемое условие скольжения (то есть никакие вязкие силы на стенках не рассчитаны) не является большой проблемой при высоких скоростях, где вязкие эффекты важны только в небольшой области вблизи стены. (Если теперь рассматривается свободный вращательный поток (�), должен существовать потенциал скорости, который удовлетворяет уравнению �. Принимая это во внимание, несжимаемое уравнение неразрывности (уравнение 2.6) становится уравнением Лапласа для потенциала (уравнение 2.7). Это уравнение может быть использовано для вычисления не турбулентного потока в свободном потоке, например, в поле потока воды вдали от корабля. Уравнение Лапласа является аналитически разрешимым даже для более сложных потоков путем объединения простых случаев (Источники, Раковины, Свободный поток и т. Д.) И может использоваться в качестве входных данных для решения интегрированных уравнений импульса, так называемых уравнений Бернулли. 2.1.2.3. Аппроксимация граничных условий Когда жидкость близка к ограничивающим поверхностям, пристенная зона называется пограничным слоем (BL). Здесь вязкими эффектами больше нельзя пренебрегать. Для низких Re поток остается ламинарным и может быть рассчитан с использованием упрощенного NSE, называемого уравнением в частных производных (уравнение 2.8). В теории жидкость не имеет скорости непосредственно на поверхности, и, таким образом, градиент скорости кажется нормальным к поверхности, что вызывает силы трения в жидкости. Дальнейшее приближение сделано, предполагая, что давление через BL (в направлении, нормальном к поверхности), является постоянным [9]. Влияние на расчеты этих предположений представлено в следующем разделе. 2.2. Вычислительная гидродинамика Из главы 2.1 известен ряд общих уравнений, которые можно использовать для решения текущих проблем с течением. Существует несколько методологий, которые могут выполнять эти задачи. Поскольку вязкостные расчеты являются основной темой данной работы, описаны наиболее часто используемые методы в этой области. Методы ламинарного течения кратко проиллюстрированы. Наиболее известный общий подход в работе с CFD - это создание сетки геометрии и области течения, выбор численных методов, решение уравнений, а затем просмотр и управление результатами. Эти шаги называются: • • • Препроцессинг (включая процесс создания сетки). Решение. Постпроцессинг. Необходимость препроцессинга основана на том факте, что каждое моделирование потока имеет различные потребности в отношении начальных значений, сеток, схем, решателей и т. Д. На рисунке 2.1 показаны различные этапы, которые требуют ввода данных пользователем на этапе препроцессинга. , Особенно на этапе моделирования и дискретизации доступно множество методов и схем - пользователю необходим опыт и понимание CFD, чтобы выбрать правильные. Информация на рисунке 2.1 взята из учебных слайдов T. S. Craft [10]. 2.2.1. Ошибки и неопределенности Независимо от того, является ли поток ламинарным или турбулентным, CFD всегда является лишь приближением к реальности по причинам, объясненным ранее. Есть много шагов, где могут возникнуть ошибки и неопределенности [1]. Разумно различать эти два понятия, поскольку многие неправильные вычисления происходят из-за недостатка знаний об инструментах (неопределенность), а не только из-за математических ошибок, например в смоделированных уравнениях или в процессе дискретизации (подробнее об этом в главе 4). Процесс проверки на ошибки называется верификацией и валидацией (V & V). Верификация это глубокое сравнение вычисленных научных тестовых случаев с их аналитическими результатами для проверки кода, в то время как валидация сравнивает ваши вычисленные результаты с экспериментальными данными (например, из теста в аэродинамической трубе) [11]. Таким образом, валидация также проверяет неопределенности, которые затем могут быть устранены пользователем, пока в идеале не останутся только ошибки реального кода CFD. Была проведена обширная проверка кода openFoam®, например, H. Jasak [12], проверка результатов показана в главе 5. Для оценки качества сетки и, следовательно, результатов, исследование сходимости сетки было выполнено в главе 4, как уже упоминалось. 2.2.2. Методы нетурбулентных потоков Одним из способов устранения турбулентности в потоке является пренебрежение вязкостью. Если уравнение 2.7 решается с определенными граничными условиями, его CFD применение называется методом потенциального потока. Его общее применение в морской промышленности заключается в расчете высоты волны и волнового сопротивления судна (рисунок 2.2). Это очень быстрый и простой промышленности, особенно для оптимизации бульба. метод, широко используемый в Метод потенциального потока также может быть использован для расчета давления на внешнем крае пограничного слоя. Используя допущение в главе 2.1.2.3, тогда давление во всем BL известно. Коды CFD, основанные на этом предположении, называются методами пограничного слоя. Они экономят много вычислительного времени по сравнению с методами CFD моделирования турбулентности (см. Главу 2.2.3), где давления и скорости должны быть согласованы, но работают нормально только в потоках без разделения [9] [11]. Вычисления вязкого сопротивления или подъемной силы и сопротивления не могут быть решены с помощью этого метода [11], что является основной причиной, по которой он не рассматривается в этой работе. В некоторых случаях при использовании моделей турбулентности необходим другой способ расчета без турбулентности (см. Главу 2.2.3.1). Многие решатели расходятся, когда начинают вычислять сложную ситуацию потока непосредственно с включенной турбулентностью. Вы можете заставить его быть ламинарным потоком, пока не будет достигнуто устойчивое состояние. С этим развитым полем давления и скорости можно начать турбулентный расчет, который с большей вероятностью пройдет. Это необходимо делать для обтекания корпуса корабля. 2.2.3. Методы турбулентных потоков В настоящее время вычислительные мощности недостаточны для непосредственного решения полной NSE почти для всех явлений потока, которые интересуют инженеров. Это возможно для некоторых академических учебных случаев или очень простых ситуаций потока. Метод, используемый при решении полной NSE, называется прямым численным решением (DNS). Первое приближение DNS называется Моделью больших вихрей ( Large Eddie Simulation, LES), которое учитывает только крупномасштабную турбулентность в потоке. Меньшие вихри фильтруются этой модификацией NSE. Меньшие вихри влияют на расчеты сопротивления в гидродинамике корабля меньше, чем более крупные, и поэтому при практическом использовании ими можно пренебречь. Можно рассчитать более крупные конструкции, такие как корабли с кодами LES, но все-таки это еще невозможно осуществить на верфях из-за вычислительной мощности и необходимого времени. Наиболее распространенное решение и методы, также используемые в этой работе, удаляют всю турбулентность и решают NSE только для усредненного потока. Методы, основанные на усредненных по Рейнольдсу уравнениях Навье-Стокса (RANS) (уравнение 2.9 - уравнение 2.11), называются методом RANS. Уравнения показывают нестационарные RANS. В этой работе были проведены стационарный расчеты RANS, где зависимая от времени часть равна нулю. В уравнениях RANS части скорости и давления разделяются на среднюю скорость / давление (U / P) и флуктуирующую составляющую скорость / давление (u´ / p´), которая отображает вихри в потоке. Колеблющиеся скорости можно найти с правой стороны уравнений и рассматривать как дополнительные турбулентные напряжения на средней скорости. Эти так называемые напряжения Рейнольдса могут быть представлены различными моделями турбулентности, показанными в главе 2.2.3.1. Это серьезное упрощение NSE, но приводит к меньшим затратам времени и памяти, чем методы LES или DNS. Помимо необходимости замыкания системы уравнений среднего потока, модель турбулентности должна быть широко применимой, точной и простой. Поскольку в настоящее время коды RANS используются в большинстве отраслей промышленности, их экономический аспект также очень важен. Если эти основные требования не будут выполнены, метод не будет использоваться. Это особенно актуально для судостроительной промышленности. 2.2.3.1. Моделирование турбулентности Ранее упомянутые напряжения Рейнольдса должны быть смоделированы, если используется метод RANS. Это можно сделать различными способами, что оказывает большое влияние на последующие результаты. Большинство моделей турбулентности основаны на концепции вихревой вязкости, где влияние турбулентности на процессы потока описывается повышенной вязкостью. Затем напряжения Рейнольдса описываются так называемой гипотезой Буссинеска, которая представлена уравнением 2.12, где k турбулентная кинетическая энергия. Как уже говорит само название, k представляет энергию в турбулентности. μ t турбулентная вязкость и может быть записана так, как показано в уравнении 2.13, включая постоянную Cμ, турбулентную скорость V и масштаб длины для крупномасштабного турбулентного движения L. Чтобы решить уравнение 2.12, нужен способ выразить k и μt для вычисления V и L. Различные подходы для этого делят модели на алгебраические модели, модели с нулевым уравнением, модели с одним уравнением и двумя уравнениями, которые все являются моделями линейной вихревой вязкости. В этой работе не обсуждаются нелинейные модели вихревой вязкости и модели напряжений Рейнольдса, которые непосредственно вычисляют напряжения Рейнольдса. Промышленным стандартом, а также моделями, используемыми в данной диссертации, являются модели с двумя уравнениями. Реализовать эти виды уравнений RANS в программу CFD довольно просто. Это в основном тот же код, что и для ламинарного потока, но имеет два следующих отличия: • • μ eff =μ+μ t Решение двух дополнительных уравнений переноса Это позволяет воздействовать на перенос свойств турбулентности путем конвекции и диффузии, а также на образование и разрушение турбулентности. Два наиболее распространенных метода и их дополнительные уравнения переноса представлены в следующих двух разделах. 2.2.3.1.1 K-ε модель Основываясь на том факте, что кинетическая энергия рассеивается во внутреннюю энергию при высоких значениях Re, другим способом вычисления турбулентной длины является использование турбулентной диссипации ε (≈ k 3 / 2 / L). Уравнения переноса для k и ε можно увидеть в уравнении 2.14 и уравнении 2.15, а также в соответствующем уравнении турбулентной вязкости 2.16. Турбулентная модель, основанная на этих уравнениях, называется моделью k-ε и, вероятно, является наиболее известным методом в кодах CFD [4]. Константы устанавливаются разработчиками программ и варьируются от программного обеспечения к программному обеспечению. Доступно несколько популярных разработок, основанных на этой модели, например, реализуемая k-ε [14] или RNG k-ε модель [15]. Его сильная нелинейность делает необходимым постепенное решение уравнений переноса итерационным методом (как большинство кодов CFD). Также необходимо underrelaxation по из соображений устойчивости решения. U, k и ε обычно получают одинаковые значения релаксации между 0,5 (для плохой сетки) и 0,8 (для хорошей сетки). На рисунке 2.3 показана волновая картина корпуса Уигли, рассчитанная по модели k-ε. Вблизи стен k и ε выше, а U остается аналогичным нормальному потоку, но они используют одну и ту же сетку. Это может привести к проблемам сходимости, особенно когда используются схемы более высокого порядка. При высоких значениях Re пограничный слой на стене становится настолько тонким, что его трудно решить с достаточным количеством точек сетки. В этом очень распространенном случае в модели могут быть применены стеновые функции. Они основаны на существовании области, близкой к стене, в которой профиль нормальной скорости стенки может быть описан с помощью логарифмического закона, показанного в уравнении 2.17 - так называемого закона стенки В общем, модель k-ε ограничена в своих приложениях. Он дает хорошие результаты только для потоков с небольшими градиентами давления. Следует избегать таких проблем, как закрученный и вращающийся поток, сильное разделение, компрессоры или сопла [16]. 2.2.3.1.2. K-ω модель Модель k-ω следует в основном тем же правилам, что и модель k-ε, но для представления масштаба турбулентности включает в себя удельную диссипацию ω (= ε / kβ *) вместо ε. Соответствующие уравнения переноса плюс уравнение для турбулентной вязкости можно видеть в уравнении 2.18 - уравнении 2.20. Они были введен Уилкоксом [17] в 1998 году. Преимуществом по сравнению с моделью k-ε является ее применимость во всем пограничном слое без дополнительных корректировок. Проблема может возникнуть из-за ее высокой чувствительности к входным граничным условиям внутренних течений [18]. Улучшение, также из-за этого недостатка, модели k-ω было введено Menter [19] [20]; так называемая модель K-ω SST. Это гибрид, использующий k-ω вблизи стенок и k-ε в турбулентном потоке. Модель k-ω SST особенно используется в аэродинамических расчетах и имеет очень хорошие общие характеристики даже для сложных течений по сравнению с двумя другими моделями уравнений [16]. 2.2.3.2. Метод конечных объемов Существует три широко используемых численных метода для решения уравнений сохранения - метод конечных элементов, метод конечных разностей и метод конечных объемов (FVM). Для уравнения RANS, уравнения Эйлера и NSE метод конечных объемов является стандартным подходом. Это легко программировать и, следовательно, наиболее часто используется. Как это обычно делается в FVM, в следующем объяснении предполагается, что поле скорости и свойства жидкости известны из граничных условий. При применении FVM физическое пространство, в котором рассчитывается поток, дискретизируется сеткой на множество контрольных объемов. Эта сетка определяет через свои точки сетки края контрольных объемов, а не точки расчета, как в методе конечных разностей. Интегральные уравнения сохранения теперь необходимо рассчитывать для каждого объема в отдельности и, таким образом, можно рассчитывать для всей области. Общий вид уравнения сохранения можно увидеть в уравнении 2.21. Общее резюме показано в 1D на рисунке 2.4 и в 3D на рисунке 2.5. Поток через границы CV равен сумме интегралов. Переменные уравнения (обозначенные ϕ v) рассчитываются в центре ячейки, тогда как поверхность контрольного объема интерполируется через значения его узлов. Полученные поверхностные и объемные интегралы можно аппроксимировать численными методами, которые показаны в следующем разделе 2.2.3.3. Значение узла в центре ячейки обозначается P и соседними узлами в соответствии с направлением потока. То, насколько хорошо работает дискретизация, во многом зависит от схемы, с которой оцениваются потоки. Также важен дизайн и внешний вид объема. Каждый отдельный контрольный объем должен быть как можно более регулярным по форме, чтобы уменьшить количество ошибок. Что означает «регулярный» в этом случае, объясняется далее в главе 2.2.4. Отверстия и перекрывающиеся или отрицательные объемы в сетке также приводят к неправильным вычислениям или программным сбоям. 2.2.3.3. Численные схемы Интерполяция выполняется, когда значения ϕ необходимы в других точках, отличных от центра CV, для расчета конвективных и диффузионных членов и вычисления неизвестных интегралов объема. В зависимости от того, какая информация дискретизирована, должны использоваться разные методы. Некоторые методы известны своим устойчивым и стабильным поведением, другие особенно точны. В этой части показано несколько важных числовых схем, которые обычно используются для интерполяции конвективных членов. Его особенное поведение делает конвекцию важной частью процесса дискретизации и является причиной многих схем, разработанных для нее. Здесь для примера это сделано для восточной части CV. 2.2.3.3.1.Схема дифференциирования вверх по потоку (Upwind Differencing Schemes, UDS) Интерполяция против потока аппроксимирует значение ϕe на грани ячейки по значению ϕ в центре ячейки вверх по потоку от CV. Зависимость значения от направления потока показана в уравнении 2.22. Интерполяционная схема безусловно ограничена и очень стабильна (1-й порядок), но может вызвать сильную численную диффузию, если направление потока искажено относительно сетки. Когда используется более мелкая сетка, интерполяция против потока даст гораздо лучшее решение. 2.2.3.3.2 Центральная дифференциальная схема (Central Differencing Scheme, CDS) Простая и часто используемая схема 2-го порядка представляет собой CDS, также называемая «линейной интерполяцией». Она аппроксимирует значения средней точки сторон CV линейным приближением между двумя соседними узлами. Уравнение 2.23 выполняется для значений узлов в точке «е». Схемы второго порядка более точны, чем схемы первого порядка, но не так устойчивы. Поскольку CDS неограничен, в областях сильной конвекции может возникнуть нефизическое поведение. В связи с этим иногда используются схемы, которые сочетают в себе лучшее из двух, например, схема гибридного дифференцирования. Здесь две схемы смешаны в критических областях друг с другом для достижения сходимости. 2.2.3.3.3 Схемы с высоким разрешением (High Resolution Schemes ) Схемы с высоким разрешением можно разделить на линейные и нелинейные схемы (смотря по их определяющей функции φ, представленной формулировкой ограничителя потока (уравнение 2.24 [21]). Ниже приведены некоторые общие функции для данного CV. 2.2.3.4. Решение уравнений Было разработано много алгоритмов, которые способны решать дискретизированные системы NSE, полученные с помощью численных схем. Какой тип решателя используется, всегда зависит от заданной задачи потока, которая обычно решается в итерационном процессе. Обработка нелинейности и связь давления и скорости являются основными аспектами решения NSE. Чтобы показать функцию решателя, на рисунке 2.6 показан цикл известного полу-неявного метода для уравнений, связанных с давлением (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations, SIMPLE). SIMPLE является широко используемым решателем CFD для несжимаемого потока, разработанным Патанкаром [22] и широко использованным в данной работе. Для итеративного стационарного решения нет необходимости разрешать линейную связь скорость/давление. Поле скоростей аппроксимируется путем решения уравнения импульса, в то время как градиент давления является результатом предыдущего распределения давления. Скорости могут быть скорректированы после расчета нового распределения давления с помощью уравнений давления. С этими обновленными параметрами потока могут быть вычислены новые результирующие потоки [22]. Другими методами являются SIMPLEC (SIMPLE Consistent), SIMPLEM (SIMPLE Modified), SIMPLER (SIMPLE Revised), PISO (Pressure Implicit with Split Operator) или PRIME (Pressure Implicit Momentum Explicit) - это лишь некоторые из них. В главах 3.2 и 3.3 решатели openFoam® и их свойства объясняются немного подробнее. 2.2.3.5 Метод объема жидкости (Volume of fluid method, VOF) Гидродинамические расчеты были выполнены с использованием метода определения объема жидкости (VOF). Это эйлерова методика определения границы раздела между двумя разными фазами, обычно водой и воздухом. Эта так называемая адвекционная схема отслеживает форму и местоположение свободной поверхности (границы раздела жидкость / жидкость), что можно увидеть в уравнении 2.5 для плавающего куба. Здесь сетка должна быть динамичной, чтобы адаптироваться к плавающей геометрии. Метод VOF основан на функции C. Если посмотреть на контрольный объем, C определяется как объемная доля непрерывной фазы 1, такой как вода, в этом CV. Когда ячейка пуста от фазы 1, C равно 0, а фаза 2, как воздух, заполняет ячейку до 100%. Другие условия рассматриваются соответственно. Если поверхность раздела вода / воздух пересекает ячейку C, это 0 <C <1, а когда она заполнена фазой 1, C равно 1. Свободная поверхность вычисляется отдельно от NSE. Код должен решить транспортное уравнение 2.25, а также вычислить доли плотности и вязкости. То, как фазы распределены в контрольном объеме, может сильно отличаться и зависит от используемого метода, например, Piecewise-Linear Interface Calculation (PLIC), Hirt & Nicols [23], Youngs [24], Compression Scheme (для openFoam® [25]) и т. д. 2.2.4. Типы сеток Как упоминалось ранее, точки для расчета различных свойств в методах конечных объемов или конечных элементов определяются сеткой которая явлиется дискретной версией области решения. Создание высококачественной сетки может удалить много ошибок до начала любого расчета. В этой работе было потрачено много времени, чтобы согласовать сетку с заданием, и на верфи были даны различные рекомендации о том, как создать быструю и хорошую рабочую сетку с openFoam®. Наиболее важные типы сетки и их функциональные возможности описаны ниже. 2.2.4.1. Аспекты качества сетки Большая ошибка из-за сетки, конечно же, связана с ее неадекватным отображением реальности. Но также структура самой сетки может вносить ошибки, которые влияют на качество решения. Наиболее важные ошибки описаны здесь. Ортогональность - это мера того, насколько близки углы соседних граней CV или ребер CV к оптимальным значениям, то есть 90 ° для четырехугольных элементов или 60 ° для треугольных элементов. Сильная неортогональность увеличит источники и амплитуду ошибок дискретизации в решении, а также приведет к ухудшению сходимости. Расширение (Expansion) относится к изменению размера между двумя соседними ячейками. Небольшие градиенты размеров между контрольными объемами предпочтительны для обеспечения контролируемого расчета переменных поля. В противном случае это увеличивает источник ошибки, возникающий в результате дискретизации слагаемых переходных процессов и сил тела. Соотношение сторон (Aspect Ratio) - это степень растяжения контрольного объема. Обычно он определяется как отношение наибольшего расстояния между ячейкой и центром грани к минимальному расстоянию между двумя краевыми узлами контрольного объема [26]. Это может привести к ошибкам округления и обычно приводит к проблемам сходимости во время решения. Асимметрия (Skewness ) - это несоответствие между формой ячейки в сетке и формой равносторонней ячейки, которая имеет такой же объем, как и первая. Результатом высокой асимметрии может быть снижение точности и дестабилизированное решение. В openFoam® эти свойства можно проверить после генерации сетки с помощью утилиты checkMesh. Есть математические определения и рекомендуемые значения для каждого из них, включенные в программу. В этом тезисе не каждая сетка была идеальной в смысле checkMesh, например высокая асимметрия была проблемой для ячеек, созданных с помощью sHM, но всегда поддерживалась в разумных пределах. Другим фактором здесь является то, что возникновение ошибки само по себе не приводит к проблеме; его расположение в сетке также играет роль. Например, в областях с большими градиентами давления решатель, возможно, будет давать расходящееся решение, в то время как в областях с небольшими градиентами такая же ошибка сетки все же может привести к общему сходящемуся решению. Это явление часто видели во время работы над диссертацией, например, в одиночных сильно перекошенных ячейках вблизи поверхности корпуса, где без физической причины большие давления рассчитывались [26]. 2.2.4.2 Структурированные сетки Одним из способов разделения домена является структурированная сетка. Он состоит из наборов пересекающихся линий, по одному набору для каждого измерения, и к точке сетки, которая размещается на пересечении только одной линии для каждого набора. Эта композиция приводит к четырехугольным структурам в 2D и гексаэдральным структурам в 3D. У точки есть четыре соседа в 2D и шесть соседей в 3D. Он очень эффективен с точки зрения CFD с точки зрения вычислительного времени, точности и требований к памяти по сравнению с неструктурированными сетками [27]. Однако один большой недостаток заключается в том, что этот метод требует много времени для адаптации к сложной геометрии и что размер ячейки сетки не может сильно варьироваться по всей сетке. Например, при уточнении области, близкой к стене, размер ячеек удаленных структур также уменьшается. 2.2.4.3. Блочные структурированные сетки Этот часто используемый подход касается необходимости разных размеров ячеек в разных областях домена. Разделение вычислительной области на две или более частей возможно путем определения областей с различной структурой, которые соединены граничными гранями. Также возможно перекрытие границ региона. Эти сетки называются химерными сетками. В openFoam® блочные структурированные сетки создаются с помощью функции blockMesh. 2.2.4.3. Неструктурированные сетки При работе с более сложными геометриями структурированные сетки предлагают только среднее удобство использования. Широко используемый метод обработки этих геометрий - неструктурированная сетка. Здесь сетка не навязывает неявную структуру координатных линий. Они могут обрабатывать в основном все геометрии и не имеют ограничений от соседних элементов / точек. Для 2D-приложений грани обычно бывают треугольными или прямоугольными, для 3D-приложений - тетраэдрами или шестигранниками. OpenFoam® использует инструмент snappyHexMesh для этого, принимая блочную структурированную сетку в качестве входных данных домена. Сетку, сгенерированную утилитой snappyHexMesh можно увидеть на рисунке 3.2, где блок, включающий более сложную полусферу, был закрашен. Простое и быстрое объединение и уточнение локальных областей является преимуществом по сравнению со структурированными сетками. Программа, разработанная для этих сеток, не нуждается в изменениях, когда выполняется доработка, что значительно увеличивает гибкость работы. Ортогональное поведение клеток также может быть в определенной степени навязано, что создает лучшее решение. Чтобы сохранить преимущества дискретизации структурированных сеток, можно также наносить неструктурированные сетки непосредственно на стенку и следовать за ними несколькими слоями структурированных ячеек, перпендикулярных геометрии. Поскольку призмы, пирамиды и тетраэдры являются особыми формами шестигранника, сетки могут иметь контрольные объемы с менее чем шестью сторонами. Этот очень гибкий подход называется гибридной сеткой. 2.2.4.4. Генерация сетки Первым шагом в создании сетки является создание списка узлов с их координатами x, y и z. Каждый CV определяется, например, 4-мя или 8-мю узлами. С помощью этой информации создается список CV с их индексами и связанными с ними узлами, где порядок точек определяет положение текущей грани, например, первые четыре точки определяют нижнюю грань шестигранника. В качестве третьего шага сохраняется список с информацией о соседях каждого CV, а также список граней каждого контрольного объема. Стороны, обращенные к границам, таким как стенки, вход и т. д., перечислены отдельно на последнем этапе, как показано на рисунке 2.8. Расчеты в неструктурированной сетке выполняются в несколько циклов. Сначала все грани, которые принадлежат двум разным контрольным объемам, а затем все граничные грани рассчитываются для получения поверхностных значений. После этого выполняется цикл по каждому CV, чтобы получить объемные интегральные значения. 3. Настройка расчета OpenFoam® - это программа, с которой требуется опыт работы. Поскольку у вас нет графического интерфейса пользователя (GUI), но вы управляете программой через текстовые файлы, ее распространение в отрасли не так велико, как в академических целях. Начиная с собственной базы знаний верфи, для ускорения процесса интеграции программы в рабочий процесс верфи автор разработал руководства по openFoam®,. Поскольку онлайн-поддержка также недоступна, лучше всего использовать данные учебники и подготовить их к вашей конкретной проблеме. Несколько из этих учебных пособий или моделей дел были созданы во время этой работы, отражая типичные задачи течения, которые должны быть исследованы на верфи. Две наиболее важные модели, исследование газовыпуска и гидродинамический расчет, изображаются и дополнительно исследуются в следующих разделах. Другие модели были "hotRoom" - учебник, который позволяет верфи анализировать излучение горячих компонентов. На рисунке 3.1 показан пример расчета для отдела машиностроения для исследования распределения температуры вокруг большой цилиндроподобной геометрии. Вертикальная линия справа представляет расстояние до близкого компонента. Также было разработано учебное пособие «Погружение и посадка», которое поддерживает анализ плавающих характеристик с динамической обработкой сетки, но не полностью протестировано. То же самое касается утилиты для включения частиц в установленные поля потока. OpenFoam® сам предлагает также выбор учебных пособий, но они редко имеют прямое отношение к проектированию корабля. Наилучшая установка для исследования газовыпуска была достигнута с помощью испытаний на «MYacht» (глава 3.2). Расследование MYacht было так же важно, как и изготовление модельных расчетных случаев для верфи, и, таким образом, тщательно пересмотрено и подтверждено. Несколько циклов настройки были необходимы, чтобы гарантировать удобство использования и валидность моделей расчетных случаев для этого и последующих проектов на верфи. Чтобы протестировать модели в реальной проектной ситуации, производительность была проверена во второй раз по сравнению с результатами аэродинамической трубы проекта ранней стадии "Ayacht". Исследовательским интересом для верфи было распределение выхлопных газов вблизи впусков HVAC (отопление / вентиляция / кондиционирование воздуха), величина турбулентности вокруг конструкции дымовой трубы или влияние выступающих частей на палубе на поток для различных конфигураций дымовой трубы (см. Главу 3.2. 0,1). Для подводных исследований использовалась гидродинамическая модель «CYacht» (глава 3.3). Верфьи было интересно вязкое сопротивление, распределение давления на корпусе для определения противодавления на выпускногм отверстии и скорость в гидродинамическом следе. Также верфи была предоставлена справочная брошюра, объясняющая подготовку расчетных случаев для других яхт / геометрий. 3.1. Настройка сетки В этой главе в качестве первого шага представлена функция openFoam® под названием snappyHexMesh (sHM), с помощью которой были созданы домены, и ее особенности более подробно объяснены. В качестве второго шага описаны две наиболее важные области, используемые для этой диссертации. 3.1.1. SnappyHexMesh В ходе диссертации было создано множество сеток и сеток, которые сравнивались друг с другом благодаря быстрому и простому использованию snappyHexMesh. С другой стороны, это иногда было необходимо, так как sHM не так прост в настройке, как его использование. Небольшие изменения в настройках могут сделать разницу между расходящимся и сходящимся решением. Стартуя с блочной структурированной сетки, которая определяет границы домена, sHM затем автоматически включает любой данный файл .stl (обычно используемый для стереолитографии). Затем решатель начинает разбивать все ячейки вблизи поверхности .stl. Когда уточнение закончено, все ячейки внутри .stl удаляются. Пользователь заранее определяет внешнюю сторону с помощью декартовой координаты. Определенные области уточнения (коробки, цилиндры или сферы) могут быть назначены. Это очень хороший инструмент для выделения определенных частей области, таких как гидродинамический след или дымовая труба для аэродинамического расчета. Это должно быть и было сделано тщательно для каждого расчета. Если граница блока расположена в областях с более высокими градиентами давления / скорости, ошибки могут быть внесены из-за изменения размера ячейки. Степень детализации сетки (и, следовательно, представляемого потока) во многом зависит от уровня детализации, который был выбран для блоков и геометрии .stl [28]. Хороший пример для сетки .stl в blockMesh с уточнением по вертикали можно увидеть на рисунке 3.2. Предварительное исследование на Fr. Lürssen Yard в отношении параметров sHM [29] рекомендовал уровень уточнения (n n + 1) для сложных конструкций, где 2-е число указывает уточнение на стене, а 1-е - уровень далее. Во время дипломной работы можно показать, что уровень меньше 5 и более плотная блочная сетка всегда предпочтительнее, чем высокий уровень детализации и грубая фоновая сетка. Причиной лучших сходящихся решений могут быть более равномерно распределенные размеры сетки во всей области. Помимо уточнения сетки sHM включает в себя множество параметров для обеспечения хорошего качества сетки. Использование автоматического инструмента, такого как sHM, ускоряет процесс создания сетки за считанные минуты, а не часы, но также влечет за собой риски. Особенно высокая асимметрия может возникнуть для сложных сеток. Проведенные исследования доказали, что это можно значительно уменьшить с помощью кубовидной блочной сетки. Также уменьшение параметров «maxBoundarySkewness» и «maxInternalSkewness» положительно влияет на качество сетки, но пользователь должен иметь в виду, что уменьшение значений ниже 5 и 2 соответственно может также уменьшить детализацию сетки. Часть meshQualityControls содержит дополнительные параметры, которые определяют качество сетки, но асимметрия обычно является наиболее серьезной проблемой для сложных геометрий. Другие методы CFD (например, starCCM +) предоставляют возможность обрабатывать поврежденные ячейки особым образом, например, включить особенно надежные схемы только в этих ячейках. С openFoam® функция setSet помогает манипулировать ячейками, но пока только удалять их. Здесь может быть шанс для дальнейшей разработки кода. Другая нерешенная проблема с sHM - это неспособность всегда создавать острые края там, где они нужны. Часто край отображается скошенным, даже если он должен быть прямоугольным. Инструмент SnapEdge, предложенный Никласом Нордином, обещал излечение [30]. После тестирования его на нескольких геометриях корабля стало ясно, что инструмент не может справиться с этой сложностью, и отсутствующие острые кромки считались малозначительными для мелких сеток, обрабатываемых в рассматриваемых случаях. Еще одна важная функция - управление слоями. sHM позволяет пользователю указать количество слоев и толщину блоков структурированной сетки на стене для лучшего разрешения BL. Стеновые функции нуждаются в высококачественной сетке, так что эта функция важна для хорошей сходимости ε и ω. Толщина ламинарного подводного плоского приблизительно рассчитана с помощью уравнения 3.1. пограничного слоя CYacht была Теперь генератор сетки позволяет пользователю определять коэффициент расширения, толщину конечного слоя и минимальную толщину. С отношениями firstLayerHeight = Background_mesh_cellheight*finalLayerRatio/(expansionRatio)^surfaceLayers можно рассчитать высоту первой ячейки непосредственно на стене в openFoam®. Пять слоев были применены для гидродинамических расчетов. Аэродинамический пограничный слой обычно толще гидродинамического, так что можно использовать более грубую сетку. Для двух следующих доменов snappyHexMeshDict был подготовлен таким образом, что для настройки аналогичного эксперимента на яхте с низкими ошибками сетки и районами уточнения, уже находящимися в нужных областях, требовались лишь очень небольшие корректировки. 3.1.2. Расчетные области В ходе дипломной работы были созданы две основные сеточные области после тестирования множества различных настроек. Один был доменом с одним блоком, который разрезает корабль на свободной поверхности для воздушного потока (модель A), а другой домен с двумя блоками для гидродинамических расчетов, перерезанных плоскостью симметрии X, Z (модель B). Модели кораблей были импортированы из Rhino3D. Модель A была очень сложной версией MYacht и AYacht, соответственно, и имела все детали вокруг дымовой трубы в высоком разрешении, где, в частности, изучалась ситуация с потоком. Модель B была более простой версией CYacht, но включала в себя настоящий подводный корпус и подводный выпускной патрубок. Обе модели обладали следующими свойствами: • • • • Точка [0, 0, 0] расположена в на кормовом перпендикуляре на уровне киля Нос судна направлен в положительном направлении оси Х Положительное направление оси Y — на левый борт Все величины вычисляются для полноразмерной модели. Что касается аэродинамического расчета, то была смоделирована вся часть корабля над ватерлинией, потому что исследовались разные углы атаки. Модель была вырезана по дизайнерской ватерлинии, как это обычно бывает для моделей мегаяхт с аэродинамической трубой. Выбранные размеры блока были рекомендациями из опыта на верфи, связанные с размерами судна: • Min. x-value: -300m; max. x-value: 300m • Min. y-value: -73.5m; max. y-value: 73.5m • Min. z-value: ~5m; max. z-value: 73.5m Проведенное исследование качества сетки (см. Главу 4.2) привело к созданию сеток с примерно 4 миллионами ячеек с распределением ячеек blockMesh [70 18 18], которое близко к равной длине ребра в направлении x и y и длине ребра с множителем ½ в направлении z (см. рисунок 3.3). Как упоминалось ранее, кубоподобная или полукубоподобная ячейка приводят к снижению асимметрии в более поздней гексаэдральной сетке с включенной поверхностью MYacht и обеспечивают намного лучшую сходимость. В любом расчете CFD необходимо установить несколько начальных условий, прежде чем можно будет успешно начать вычисление (см. 3.2.2 Граничные условия). Они изменяются для разных моделей турбулентности или для разных решателей, но всегда имеют общее то, что давление и скорость необходимо определять в определенных местах области, называемых в openFoam® патчами . На рисунке 3.3 вы можете увидеть, какие части были патчи для расчета воздушного потока. Выхлопные патрубки требуют отдельного патча для включения другой скорости или температуры в этом месте. Во время гидродинамического расчета корабль все время остается параллельным потоку. Чтобы сэкономить вычислительные усилия, блок был разрезан в плоскости x, z, и была исследована только правая сторона. Корабль был отрезан на высоте семи метров (т.е. без надстройки), чтобы создать более тонкую сетку на подводном теле с меньшим количеством клеток. Эта типичная настройка также выполняется в большинстве тестовых случаев, таких как "Wigley Hull" или Model 5415 [31]. Простая геометрия приводит к созданию сетки без сбоев, о которых сообщает checkMesh, а также общего качества и качества поверхности, которые были признаны высокими. Чтобы принять во внимание различные фазы входящего потока, домен был разделен на воздушный блок и водный блок с отдельными входными границами (см. Рисунок 3.4). Водный блок был достаточно глубоким, чтобы его можно было считать «глубокой водой» для исследованных низких скоростей. Модели работают и на мелкой воде, что было доказано в проведенных тестах. Свойства blockMesh были следующими: • Water block a Min. xavalue: a300m; max. xavalue: 300m • Water block - Min. y-value: 0m; max. y-value: -200m • Water block - Min. z-value: ~-45m; max. z-value: ~5m • Water block - Cell distribution [150, 100, 25] • Air block - Min. x-value: -300m; max. x-value: 300m • Air block - Min. y-value: 0m; max. y-value: -200m • Air block - Min. z-value: ~5m; max. z-value: ~25m • Air block a Cell distributon [150, 100, 10] Еще одна особенность, которая хорошо видна на рисунке 3.4, - это более плотная ячейка спереди и сзади корабля. Это не патч, а два уточняющих блока, которые дают лучшие результаты в области, где требуется более высокое разрешение, т.е. в следе и на поверхности свободной воды, то есть в той области, где функция C равна 0,5 (см. Главу 2.2.3.5). ). Верхний патч не отображался для лучшего просмотра домена. Все определенные участки видны на рисунке 3.4, за исключением нижней стенки. Д ругим важным фактом является то, что общее количество используемых клеток значительно различалось между моделями А и В. Более простая ситуация с потоком, допускаемая в аэродинамических расчетах, и более высокая сложность модели требует более тонкой сетки. Более трех миллионов ячеек, которые используются в модели А, приведут к очень большому времени вычислений для гидродинамического расчета. Количество ячеек в гидродинамическом расчете (n <1 500 000) требует уже достаточно малого шага по времени (> 0,02 с). Дальнейшее сокращение нецелесообразно для верфи и связано с проблемами с решателем openFoam®. Но это не огромная проблема, поскольку ошибка моделирования все еще считается малой для этого расчета из-за низкого уровня детализации геометрии корпуса по сравнению с надстройкой. То, как представлены хорошие детали, всегда зависит от их сложности и размера ячейки вокруг них. Пример типичной ошибки моделирования можно увидеть на рисунке 3.5. Одна и та же деталь моделируется в двух очень разных состояниях уточнения в зависимости от уровня уточнения. 3.2. Аэродинамический расчет Во время этой диссертации была проведена большая работа по подготовке важного моделирования аэродинамической трубы. Настройка, граничные условия и используемый решатель описаны в этой главе. 3.2.1. Настройка Были исследованы 3 различные модели: • Регулярный поток воздуха вокруг корпуса • Регулярный поток воздуха вокруг корпуса плюс выходящий поток из труб • Регулярный поток воздуха вокруг корпуса плюс выходящий поток из труб плюс тепло Предполагалось, что воздух имеет сходные характеристики с выхлопными газами. Частицы могут быть впоследствии включены в openFoam®, если требуется (см. Главу 3.2.3). Изменение высоты и диаметра труб привело к четырем различным вариантам MYacht, которые были рассчитаны для второй из названных моделей: • #1 low pipes (ca. 1m), 0.6 a 0.7m pipe diameter, ~30m s pipe outlow • #2 medium pipes (ca. 2m), 0.6 - 0.7m pipe diameter, ~30m/s pipe outflow • #3 high pipes (ca. 3m), 0.6 - 0.7m pipe diameter, ~30m/s pipe outflow • #4 high pipes (ca. 3m), 0.4 - 0.5m pipe diameter, ~50m/s pipe outflow На верфи были проведены испытания в аэродинамической трубе HSVA, которые были использованы для проверки. Значения были взяты из этих испытаний, чтобы обеспечить разумную сопоставимость (фотографии можно найти в Приложении A). Другие значения настройки были: • Скорость судна..........................................................19,5 уз. • Истинная скорость ветра.........................................ок. 10 м/с • Истинные курсовые углы ветра..............................00, 300, 600 • Угол выхлопной трубы.............................................ок. 100 Поскольку изменение скорости от нулевой скорости до полной скорости за один временной шаг может быть довольно большим, было выбрано ступенчатое увеличение скорости, аналогичное гидродинамической задаче (см. Главу 3.3), если с этими предварительными настройками решение не сходится сразу. Тот же эффект может быть достигнут отключением моделей турбулентности до тех пор, пока не будет установлен стабильный профиль давления и скорости. 3.2.2. Граничные условиям Граничные условия могут в значительной степени влиять на результат расчета. Они не только определяют начальные свойства потока, такие как скорость или температура, но также и начальные значения для моделей турбулентности. Если k или ω не инициализированы правильно, решателю потребуется больше времени, чтобы сходиться или даже расходиться. Чтобы включить правильные значения аналогичные учебные пособия и онлайн-форумы [18] были проведены консультации. В серьезных случаях, когда требуется очень точное начальное значение, формулы для большинства параметров можно найти в названных учебниках. Таблица 1 теперь показывает основные параметры и какие граничные условия были применены для потока воздуха и трубы. Аналогичные граничные условия необходимо применять для температуры, если рассчитывается тепловая модель. Граничные условия в openFoam® подразделяются на базовые, примитивные и производные типы. Основные типы включают участки и стены, на которые накладываются другие условия. Для этого чаще всего используются примитивные типы [28]. Самые важные из них: • fixedValue • fixedGradient Постоянный градиент параметра применяется • zeroGradient Градиент равен нулю • calculated Постоянное давление / скорость / и т. д. Применяется Граничное поле получено из других полей Существует много различных производных типов для очень специфических граничных условий. Условие slip, как противоположное условие «no-slip» на стенах или на всех стеновых функциях, является частью этого класса. 3.2.3. Решатель Для несжимаемых аэродинамических расчетов использовались только стационарные решатели, поставляемые с пакетом openFoam. Для таких проблем openFoam® предлагает широкий диапазон специализированных решателей, подходящих для различных ситуаций потока. Все они основаны на ранее объясненном простом алгоритме. SimpleFoam использовался для моделирующих аэродинамическую трубу вычислений без теплового воздействия. Это может обращаться с различными воздушными входами и турбулентностью в потоке. Это один из стабильных стандартных решателей в openFoam®. BuoyantBoussinesqSimpleFoam был взят, когда тепло должно быть включено в расчеты. Для этого были добавлены граничные условия для температуры и силе тяжести. Таким образом, этот решатель не включает в себя излучение, только диффузионный и конвективный теплообмен. В случае вычисления без движения воздуха был выбран решатель buoyantSimpleRadiationFoam. Здесь можно рассчитать распределение тепла, включая излучение, что важно, если неподвижный воздух является начальным условием, например, как в учебнике "hot-room". injectorSolidParticleFoam - это решатель потока частиц, разработанный А. Перссоном [32]. Он использует расчет SimpleFoam в стационарном состоянии, чтобы ввести ранее определенную частицу в поток и проследить ее траекторию через расчетную область. Это особенно полезно в тех случаях, когда необходимо отслеживать тяжелые частицы (например, пепел выхлопных газов), которые не следуют за линиями тока, как более легкие, что может быть показано в качестве примера для двух разных частиц, попавших в одну и ту же ситуацию с потоком на рисунках 3.6 и 3.7. Он не входит в пакет openFoam®, но может быть легко добавлен. 3.3. Гидродинамический расчет Гидродинамические расчеты очень трудоемки и требуют большей подготовки, чем аэродинамический. Как и в главе 3.2, поясняются настройки, граничные условия и используемый решатель. 3.3.1. Настройка Установка для гидродинамического расчета довольно проста, поскольку геометрия не изменялась. С этой настройкой можно исследовать несколько пунктов: • Ламинарное обтекание корпуса: волновая картина • Турбулентный поток вокруг корпуса: распределение давления в области, особенно в следе • Турбулентный поток вокруг корпуса, включая выходной поток: распределение давления в области Это может быть достигнуто простым изменением граничных условий. Для лучшей сходимости чувствительной итерации была разработана пошаговая процедура. Сначала был начат ламинарный расчет для t = 15 с при U = 2 м / с (воздух и вода), который помогает инициализировать поле давления в более стабильной нетурбулентной среде. Теперь желаемая скорость корабля 6 м / с может быть применена и работать еще 15 секунд. После этого модель турбулентности была включена. Еще через 5 секунд скорость потока воздуха 4 м / с была применена к выпускному отверстию еще в течение 5 с. В итоге: Uwater= 2 m s Uair= 0 m s t=15s turbulence model = of Uwater= 6 m s Uair= 0 m s t=15s turbulence model = of Uwater= 6 m s Uair= 0 m s t=1s turbulence model = on Uwater= 6 m s Uair= 4 m s t=9s turbulence model = on Настройка была реализована с помощью решателя openFoam® InterFoam. Была запущена турбулентная расчетная установка с почти идентичной сеткой по StarCCM + (по причинам времени без выпускных отверстий), и она была сравнена с результатами interFoam. Кроме того, сравнительные исследования с решателем shipFoam были начаты, но не завершены во время работы из-за очень длительного времени работы решателя. 3.3.2. Граничные условия Граничные условия были достигнуты с помощью итерационных трасс и основаны на учебном пособии Эрика Патерсона «Wigley Hull» [18]. Их можно увидеть в таблице 2 и они аналогичны значениям в таблице 1. 3.3.3. Решатель Для расчета параметров сопротивления openFoam® предлагает различные решатели, которые включают в себя метод VOF и, таким образом, способны рассчитывать течения со свободной поверхностью воды и силы на теле. Для расчета мореходности доступны ни движущейся сетке, которые обрабатывают 6 степеней свободы (DoF). InterFoam является нестанционарным решателем для двухфазных потоков, использующим схему сжатия метода openFoam® VOF. Для гидродинамики корабля требуется очень хорошая сетка, иначе решение очень нестабильно. Для расчета полей давления, когда сетка становится более мелкой, требуется очень малый шаг по времени. InterDymFoam обладает теми же свойствами, что и решатель interFoam, но позволяет работать с движущейся сеткой сетки и с 6 степенями свободы. Это позволяет проводить расчеты с изменеием осадки и дифферента. Из-за нестабильного поведения interFoam М. Кувенбергом был разработан shipFoam [33]. Это решатель для расчётов фиксированных или свободно плавающих судов, основанный на interDymFoam. ShipFoam специально разработан для судовых гидродинамических задач и может выполнять те же задачи, что и interFoam и interDymFoam. Особенностью решателя является файл shipDict, в котором можно определить массу, центр тяжести, момент инерции и другие свойства корабля. Движения корпуса, смещения центра тяжести и баланса сил записываются для каждого расчета в текстовые файлы. Он также включает в себя функцию, позволяющую форсировать скорости и ускорения тела или фиксировать определенные степени свободы. 4. Аспекты качества Пока только сказано, какие расчеты были выполнены во время этой диссертации. В этой главе представлены меры по обеспечению хорошего качества расчетов помимо уже выполненных аспектов. 4.1. Оценка качества настройки Чтобы гарантировать хорошее качество CFD также и в последующих моделях, настройка и состояние сетки были исследованы до и во время расчетов. Аналитическое решение для этих конкретных вычислений недоступно, так что проверка не может быть выполнена в этой работе, но можно выбрать проверенные или проверенные модели, которые лучше всего подходят для аналогичной задачи, чтобы таким образом уменьшить ошибку. Промышленным стандартом и выбранным подходом является метод конечных объемов с моделью RANS с двумя уравнениями. Для всех расчетов эта установка считалась наилучшей, при этом затраты на вычисления и время оставались в разумных пределах. DES и LES являются более точными, и существует множество исследований, в которых описываются их преимущества по сравнению с методами RANS, но они пока неосуществимы в быстро меняющейся и ограниченной в средствах индустрии проектирования судов. Методы RANS с двумя уравнениями дают хорошие прогнозы большинства явлений потока в судостроительной промышленности и в настоящее время проверены во многих исследованиях. В частности, на конференциях по гидродинамике судов, таких как Gothenburg2000 [31] или Tokyo2005 [34], использующих корпус Wigley, боевое судно 5415 или нефтеналивной танкер KVLCC2, эти методы были проверены и доказали свою высокую эффективность. В качестве модели турбулентности для обеих вычисленных задач был выбран k-ωSST. В обширном исследовании Бардина и соавт. [16] он был признан наилучшей моделью турбулентности в целом и особенно хорошо работает в условиях аэродинамического обтекания с высоким качеством результатов. Результаты для гидродинамических задач также надежны, хотя расхождение с RSM или LES больше [35]. Важной проблемой для модели kωSST может быть то, что значение y + выходит за рамки (разумные значения будут 30 <y + <300 [26]). Это обычно приводит к расходящимся решениям и, следовательно, легко обнаруживается. К сожалению, это значение не просто отрегулировать с snappyHexMesh. Помимо этого модель k-ωSST очень стабильна и устойчива по сравнению с двумя другими моделями уравнений, что также было показано в ходе этой диссертации в коротких сравнительных исследованиях. Сходимость решения рассматривалась, когда невязки для ω, k, U и p были меньше 10 ^ -3, как рекомендовано в [26]. Это означает, что вариации решения между итерациями невелики и больше не меняются. OpenFoam® позволяет легко обрабатывать и составлять графики невязок. Другим критерием сходимости была скорость изменения коэффициентов силы. Путем добавления нескольких строк в решатель можно выписать силы на теле (обычно подъемная сила и сопротивление) и их нормализованные коэффициенты для каждой итерации и построить их график. Проблемы сходимости также могут возникать из-за неподходящих числовых схем. Схемы должны быть адаптированы к каждой проблеме индивидуально, например, если высокая асимметрия была проблемой, как в аэродинамическом расчете, схемы против ветра были исключены и были применены корректоры асимметрии. Введение и описание нескольких схем и их свойств были переданы верфи в виде руководства. Как правило, все схемы более низкого порядка являются более неточными, но схемы более высокого порядка имеют тенденцию быть более нестабильными. Обычно первые тесты начинались со схемы вверх по потоку, а затем переключались на линейный (для аэродинамики) и van Leer (для гидродинамики), когда решение сходилось со схемой первого порядка. Представленные результаты выполнены по схемам более высокого порядка. 4.2. Исследование сходимости сетки Как упоминалось ранее, сложные сетки, созданные с помощью sHM, имеют тенденцию включать определенные погрешности, которые влияют на результат расчетов. Поскольку результаты нельзя сравнивать с аналитическим решением или результатом DNS, необходимо было провести другие измерения качества. Для этого было выполнено несколько вычислений с различными размерами сетки, но с одинаковыми настройками. Это исследование сходимости или уточнения сетки представляет собой метод обнаружения упорядоченной ошибки дискретизации в вычислениях CFD. Подробную процедуру этого можно увидеть на веб-сайте НАСА grc.nasa.gov [36]. Идея состоит в том, что ошибка пространственной дискретизации стремится к нулю, когда сетка сгущается. Ошибка связана с порядком используемой числовой схемы и может быть оценена различными методами, например, в Stern et al. [37], которые советуют минимум три сетки. Аэродинамическая установка была рассчитана с четырьмя различными сетками, удваивающими размер каждого шага, так как ошибка была еще слишком большой с третьей сеткой. Коэффициент сгущения сетки был примерно равен 2. По сути, это происходит потому, что sHM работает автоматически и часто размещает ячейки другим способом, когда доступно больше ячеек. Это означает, что не каждая ячейка была разделена пополам за один шаг уточнения, но общее количество ячеек было удвоено. Менялись не настройки sHM, а количество ячеек blockMesh, так что можно было оценить постоянное и даже уточнение. В таблице 3 приведены значения, взятые из этих расчетов для различных размеров сетки. Значения для Ux и p были напечатаны из одной ячейки выше по течению от корабля, где можно было ожидать стабильного потока [36]. Из Таблицы 3 видно, что значения сходятся к решению, чем мельче сетка. Эти отношения хорошо показывают предпосылку и ожидаемый результат этого исследования. Сходимость к фиксированному значению, показанная на рисунке 4.1, является основанием для итеративного процесса. Используя экстраполяцию Ричардсона [38], описанную на веб-сайте НАСА [36], можно получить оценку значений поля потока более высокого порядка и тем самым уменьшить ошибку из-за более грубых сеток. Таблица 4 показывает результаты такого расчета с коэффициентом безопасности 1,25. Интересны индексы сходимости сетки (GCI) и отношение, которое указывает асимптотический диапазон решения. Они должны быть как можно меньше - для GCI - или как можно ближе к единице - для соотношения. Таблица 4 показывает, что можно предположить, что самой мелкой сетке может быть небольшая допустимая ошибка. Единственным параметром со значением GCI более 1% было давление, критическое значение для многих решателей openFoam®. Его невязки должны быть тщательно проверены во время проходов. Эти знания теперь были переданы в расчеты и стали причиной использования в вычислениях сеток размером более трех миллионов ячеек. Тем не менее, это гарантирует только низкую ошибку дискретизации и ничего не говорит об общей ошибке вычисления. 5. Результаты В этой главе представлены результаты двух основных расчетов - аэродинамического и гидродинамического. Из-за политики конфиденциальности верфи, этот раздел носит скорее описательный характер, чем сравнение точных значений, то есть будут представлены только количественные сравнения. 5.1. Валидация аэродинамических расчетов Как уже было сказано, существует много источников ошибок в расчете CFD. Согласно Ларссону / Рейвену [11], эти ошибки могут возникать из-за неадекватного представления математической модели кодом CFD или из-за неточного моделирования физической реальности. Первый проверяется проверкой кода, второй - проверкой результатов с экспериментальными данными. В Приложении А приведены сравнения нескольких результатов вычислений. Во время этих расчетов были интересны два аспекта. Сначала была исследована эффективность openFoam® по сравнению с результатами в аэродинамической трубе, а во второй было произведено сравнение для верфи различные геометрии дымовых труб. Подробные значения настройки можно найти в главе 3.2.1. Аспекты производительности, а также различные отображаемые части это: • Выпускной поток с нулевым углом атаки (также сравнение геометрии трубы) • Выпускной поток с малым кажущимся углом ветра (также сравнение геометрии трубы) • Выпускной поток с большим кажущимся углом ветра • Тестирование разработки пограничного слоя • Исследование зоны рециркуляции Таблица 5 показывает выполненные расчеты CFD для валидации, если модель, которая была предоставлена на верфь, делает разумные выводы о возможном потоке. Только три выделенных (черных) варианта отображаются в качестве примеров для их групп в приложении вместе с результатами в аэродинамической трубе, поскольку они уже показывают общее поведение всех вычислений для этой конкретной области исследований (нулевой угол, малый угол и т. д.) , Сравнение большинства результатов CFD показало удовлетворительное или лучшее соответствие с фотографиями из испытаний в аэродинамической трубе. Не было найдено разумного различия между сценарием нормального потока и включенного теплового потока, поэтому рекомендуется использовать более простую модель для стандартных аэродинамических труб, подобных экспериментам. Приложение A показывает только результаты MYacht. Подобная AYacht была протестирована в ближайшее время и только как выходные результаты для верфи. Он не включен в раздел приложения, но показал аналогичное поведение. Полное сравнение AYacht не было выполнено из-за временных ограничений. Общие характеристики первых двух групп, т.е. е. нулевой и малые углы атаки, было хорошим (Figure_apx B.1, Figure_apx B.2, Figure_apx B.4, Figure_apx B.5). Проблема этих групп заключалась в том, что расчеты показывают только линии тока воздушного потока. Они близки к результатам, но влияние силы тяжести на более тяжелые частицы масла, используемые в аэродинамической трубе, было заметно по более широкому распространению следа в направлении z. Это также затрудняет оценку результатов CFD, когда поток становится очень медленным. Вы можете предположить, что выхлоп не переносится дальше, но рассчитанные линии тока продолжаются. Введение в поток тяжелых частиц в этих критических ситуациях с помощью инжектора SolidParticleFoam может улучшить результат. Figure_apx B.3 и Figure_apx B.6 ясно показывают возможности, которые openFoam® предлагает для сравнения различных вариантов. Влияние различных геометрий дымовой трубы оказывает явно видимое влияние на обтекание кормовой части палубы судна. Сходимости труднее достичь, когда угол атаки превысил 30 ° (в приложении это называется «большие углы»). Для достижения конвергентного решения необходимо использовать низкие коэффициенты релаксации и схемы низкого порядка, чтобы качество вычислений значительно снизилось. Сильно вращательный поток в сочетании с перекошенной сеткой может быть причиной такого поведения и приводить к недостаточному прогнозированию поля потока. По временным причинам не было проведено более глубокого исследования этого обстоятельства, а также не было выполнено ни одного другого варианта, кроме # 3. Хотя один проведенный впоследствии пример расчета варианта № 3 показал, что если сначала начать с ламинарного вычисления и применить пошаговую процедуру, подобную описанной в главе «Настройка» (см. Главу 3.2.1), можно получить гораздо лучшую сходимость при более высоком качестве. Каждый расчёт занимает гораздо больше времени, поэтому предпочтительно вычислять без малой начальной скорости и включать модели турбулентности с самого начала. Автоматическое соединение поведения конвергенции и настройки openFoam было бы полезно для этих приложений. Когда решение сходилось, поток был предсказан слишком высоко в направлении z. Это может быть та же самая проблема низкой скорости, уносящей легкий воздух в моделировании CFD (Figure_apx B.7), но не более тяжелый дым в эксперименте (Figure_apx B.8). Представление только с линиями потока в постобработке может здесь вводить в заблуждение. Другим важным и интересным поведением для изучения было развитие пограничного слоя над кораблем (Figure_apx B.9 и Figure_apx B.10). Из этого видно, как будут развиваться потоки частиц в воздухе вокруг надстройки. Здесь можно увидеть те же результаты, что и в других группах. Хорошие результаты для малых углов или без углов и иногда проблемы сходимости для больших углов были замечены с помощью модели k-ω SST. Общая проблема, которая может возникнуть, показана в Figure_apx B.11. Область рециркуляции, отчетливо видимая в Figure_apx B.12, не была полностью разрешена simpleFoam. Разрешение могло быть недостаточно высоким для этого сложного события или просто не было зафиксировано при таком способе постобработки. Для более глубокого изучения этой проблемы, к сожалению, не осталось и времени. 5.2. Валидация гидродинамических расчетов Чтобы обеспечить сходимость гидродинамических расчетов с чувствительными многофазными решателями, необходимо выполнить пошаговую процедуру. Это вписывалось в установку, поскольку не требовалось никаких изменений геометрии, а только граничных условий. Самая большая проблема заключалась в значительном увеличении числа Куранта и последующем сбое процесса решения. Это может быть либо проблема качества сетки, либо проблема слишком большого шага по времени. Время перехода варьировалось от 0,001 до 0,02 с. Когда число Куранта стало слишком высоким, временной шаг был уменьшен, и имитация была начата заново. Адаптивный шаг по времени не дал желаемых результатов и обычно просто задерживал сбой. Более низкий шаг по времени также необходим, когда включена модель турбулентности . Иногда давление не сходилось, особенно когда динамическое перемещение сетки было активным, то есть корабль был свободен для погружения и удифферентовки, и interFoam (или interDymFoam) потерпел крах с той же самой проблемой высокого числа Куранта. Таблица 1 показывает, что значительное уменьшение шага по времени может продлить расчет и в этом случае, но решение заняло так много времени, что с ним практически невозможно работать. Помимо всего прочего, это послужило причиной разработки решателя shipFoam. Специально для расчета погружения и удифферентовки были достигнуты лучшие сходящиеся решения, чем с помощью interDymFoam. Пока нет результатов для сравнения с решателем interFoam для гидродинамической установки, поскольку структура кода shipFoam пока не позволяет выполнять его режиме распараллеливания. Процесс был начат, но не закончен на это время. Рассматривая результаты в Приложении C, можно увидеть, что interFoam дает хороший результат с гидродинамической точки зрения судна по сравнению с другими программами CFD. Волновая картина очень схожа по сравнению со starCCM + и разумна по сравнению с аналогичными результатами HSVA, которые не могут быть напечатаны по соображениям внутренней политики. OpenFoam предсказывает немного более высокие высоты волн, чем коммерческий решатель, но оба они более предсказуемы по сравнению с HSVA (Figure_apx C.1, Figure_apx C.3, Figure_apx C.15 & Figure_apx C.16). Особенно волна следа слишком высока при расчете с помощью модели турбулентности openFoam®. Считается, что слегка нарушенная структура в Figure_apx C.3 происходит из-за короткого времени между переключением на турбулентность и изображением. Это должно быть дольше, чем 5 с. Более устойчивое состояние, чем было достигнуто в Figure_apx C.4. Но прежние исследования верфи, а также волна следа в Figure_apx C.4 показывают, что обычно требуется больше времени для полного устойчивого расчета. Снова ограничения по времени ограничивали это исследование. Глядя только на линии тока у форштевня, можно увидеть, что они очень похожи, и скорости были предсказаны одинаково в обеих программах (Figure_apx C.5 и Figure_apx C.6). Они могут быть хорошим подспорьем при оптимизации обтекания выступающих частей корабля. То же самое относится к описанию линий тока вокруг выпускного отверстия (Figure_apx C.13). Когда поток выхлопных газов из подводного выпускного отверстия был проанализирован, Figure_apx C.14 доказывает, что interFoam обеспечивает умеренные характеристики. Он отображает три временных шага во время развития воздушного потока. Figure_apx C.4 хорошо показывает, как воздушный поток из выхлопа влияет на волнение корабля. Скорее всего, в действительности это не будет такой большой величиной, поскольку это были непрактичные значения теста, но это доказывает, что openFoam® также может обрабатывать этот ввод. Абсолютное давление было рассчитано как ожидалось и очень схоже с обоими решателями. Разница в аннотации исходит от разных начальных точек - openFoam® начинается с 0 Па, а starCCM + при 10 ^ 5 Па. Это не проблема, когда предполагается несжимаемый поток. Диаграммы давления, видимые на всех рисунках (Figure_apx C.7 - Figure_apx C.12), были практически идентичны. Точка застоя и области низкого давления на выпуклых частях корпуса были решены. Незначительное различие в 2000 Па было замечено между решателями. Из сравнения высоты волны с результатами HSVA видно, что тогда openFoam превышает прогноз поля давления. 6. Обсуждение Во время этой диссертации для верфи Fr. Lürssen были созданы различные методические пособия openFoam® в основном для решения аэродинамических и гидродинамических ситуаций обтекания мегаяхт. Подробно это был анализ обтекания вокруг надстройки и исследование поля давления на корпусе корабля. С одной стороны, на верфи действительно были нужны эти расчеты в качестве основы для оценки, с другой стороны, они были хорошей основой для получения опыта в области openFoam® для верфи и для демонстрации того, что этот инструмент может сделать сегодня. Кроме того, были созданы макеты для анализа распределения тепла, впрыска частиц и динамического движения сетки (погружение и удифферентовка), но они не были так глубоко проверены, как предыдущие уроки. Были исследованы несколько тем, которые указали на их актуальность во время работы. В частности, это были программное обеспечение sHM, другой решатель openFoam®, числовые схемы и параллельные вычисления. Все результаты исследований были переданы на верфь, включая руководство и инструкцию для учебных пособий. Это было сделано в соответствии с исследованием об интеграции программного обеспечения с открытым исходным кодом (OSS) на площадке среднего размера (~ 1000 сотрудников), которое будет кратко изложено в этом разделе. По этой причине openFoam® также сравнивали с коммерческим программным обеспечением StarCCM + от CD-adapco, но только в отношении конкретной области исследования гидродинамических судовых потоков. Но у данной работы, помимо выполненных вычислений, есть другое применение для верфи. Это также означало ускорение и усиление работы Lürssen с openFoam®. С одной стороны, инженеры знакомятся с темой гораздо быстрее, что позволяет избежать дорогостоящего учебного курса; с другой стороны, новые случаи можно обрабатывать быстро, эффективно и дешево с помощью стандартных моделей. Контролируемые изменения в моделях довольно легко возможны, что делает openFoam® хорошим и надежным инструментом, особенно при выполнении повторяющихся или подобных тестов. Эти изменения могут касаться геометрии, различных конфигураций потока или скоростей. На основе учебных пособий возможны и другие вычисления. В гидродинамические расчеты может быть включен винт, чтобы проанализировать его влияние на след. Также моделирование потока труб может быть интересной рабочей областью, например, для моделирования потока выхлопных газов уже в газовыпускной системе. Работа с openFoam® улучшает общее понимание вычислений CFD, так как она штрафует сбои или неправильную настройку более строго, чем большинство программ. Этот принудительный способ обучения оказывает положительное влияние на понимание других инструментов и их конкретных сильных и слабых сторон. В дополнение к этому, openFoam® сама по себе предлагает несколько возможностей для изучения других областей в анализе CFD. Существуют специализированные решатели по многофазному моделированию, химическим реакциям, моделированию пламени и двигателя или оседанию твердого вещества в жидкостях, и это лишь некоторые из расчетов, которые могут быть интересны для одного объекта. Помимо этого, требуется больше опыта, чтобы инженер-разработчик разработал решения, отличные от учебных пособий openFoam®. Но, как правило, внедрение программы не займет слишком много ценного времени, поскольку на современной верфи всегда нужны как можно более надежные результаты. Это приводит к вопросу о том, какой уровень знаний необходим для начала использования программного обеспечения с открытым исходным кодом. Основное требование, как и в любой программе CFD, - хорошие или очень хорошие навыки интерпретации гидродинамических процессов, чтобы правильно оценивать результаты. Часто решение выглядит правильно, но с небольшими ошибками, которые сразу замечают опытные инженеры. Также важно, конечно, базовые знания о программном обеспечении CFD и работе с системами на основе Linux. Большинство компаний используют системы Microsoft® Windows®, и разница в работе не так проста, чтобы справиться с неопытным персоналом в области ИТ (информационных технологий). Понимание языков программирования, особенно C ++, желательно, но не обязательно. Исходный код openFoam® открыт для использования и реструктуризации для всех, но может быть не интуитивно понятным, опять же для инженеров без ИТ-опыта. 6.1. Методы CFD на верфи Основным аспектом выбора CFD на верфи является уменьшение или замена трудоемких и дорогостоящих экспериментов. Свободное программное обеспечение имеет здесь, конечно, дополнительное преимущество по сравнению с коммерческими. Во время моделирования реакция на потребности проектирования и строительства является более гибкой, чем во время эксперимента. Если модель изменяется после экспериментальной стадии, об этом можно заботиться только с большими дополнительными затратами. Обычно два основных теста на ранних стадиях проектирования судна одинаковы на большинстве верфей испытания в аэродинамической трубе и испытания в опытовом бассейне. Это особенно легко реализовать с помощью структуры папок case из openFoam®. Кроме того, легче настроить и восстановить параметр настройки, чем в эксперименте, который обычно выполняется внешними средствами тестирования. По сравнению с популярными эмпирическими методами, методы CFD обычно более точны. Инженер может охватить больше областей компьютерным моделированием, которое обычно невозможно реализовать с помощью простых формул, например, для конструирования высокоэффективных рулей или для подобных экстремальных приложений [39]. Эмпирические методы слишком ограничено и вносит большую ошибку моделирования. С другой стороны, часто работникам верфи сложно интегрировать структурные изменения с точки зрения времени. Знаменитый менталитет «Мы всегда так делали» в большинстве своем не является признаком упрямства, а то, что им нельзя управлять каким-либо иным образом. То, что это препятствует использованию CFD или других новых методов, не редкость на верфях, как в большинстве других промышленных офисов. Как и во многих других инновационных методах, такое отношение может создать проблемы для компании, действующей на международном уровне, поскольку CFD может помочь снизить затраты и повысить качество продукции. Чтобы поддерживать повышение качества в промышленно развитых странах по сравнению с более дешевыми странамипроизводителями, инженеры должны иметь возможность работать гибко и с использованием новейших технологий. Пропуская технологические инновации, компания увеличивает риск слишком позднего реагирования на новые правила или тенденции. Это особенно опасно для высокотехнологических верфей, и этого следует избегать. OpenFoam® предлагает здесь отличную возможность получить опыт в новой разработке без высоких инвестиционных рисков. В качестве третьего шага в этом анализе будут перечислены теоретические области применения CFD-приложений на верфи и в связи с его высоким статусом разработки, а также возможные области применения openFoam®. Одной из наиболее важных с экономической точки зрения целей судостроителей на верфи является минимизация сопротивления кораблей, особенно волнового сопротивления и вязкого сопротивления. Для первого использовались хорошо известного решатели потенциального потока, такие как nuShallo от HSVA или shipFlow® от FlowTech®, которые превосходят openFoam® для решения потенциального потока «potentialFoam» из-за их фокусирования на судостроительных задачах [13]. Что касается вязких расчетов, это исследование показало, что openFoam® уже сегодня демонстрирует сопоставимые характеристики в гидродинамических расчетах судов. Наряду с вязким сопротивлением также можно рассчитать распределение давления / скорости в поле потока и на корпусе. При сравнении со StarCCM + былол отмечено, что с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом для гидродинамических расчетов корабля может быть достигнуто такое же качество результатов. Отсюда можно сказать, что для расчетов сопротивления выступающих частей можно ожидать таких же или аналогичных результатов. Также в openFoam® были успешно проведены кавитационные исследования на сечениях или пропеллерах NACA, например, Bensow [40]. Практическая значимость для верфи пока сомнительна, так как выступающие части обычно разрабатываются производителями, и вам нужен трудоемкий метод LES, чтобы получить разумные результаты. Аэродинамические расчеты, а также оценки ветра могут быть успешно выполнены с большинством RANS с использованием методов CFD, и можно ожидать хорошего результата также с openFoam®, как это было показано в ходе этой работы. Когда анализируется сложная геометрия, следует уделять особое внимание моделированию и применять высокое разрешение для полного отражения всех явлений. Потоки частиц обычно не нужны для достижения хороших результатов, но могут быть включены. Для представления движущихся конструкций корабля динамические сетки применимы к большинству современных решателей. С их помощью и расширенными граничными условиями возможны расчеты плавания и мореходности, которые позволяют более реалистично приближать поведение судов. OpenFoam® имеет теоретические требования для решения проблем с подвижными сетками. На самом деле, современные решатели имеют проблемы со сложными сетками, которые необходимы при расчете плавучего корабля. 6.1. Сравнение с коммерческими решателями Чтобы лучше понять, чем openFoam® отличается от коммерческого программного обеспечения, и, таким образом, понять, какими могут быть конкретные проблемы в работе с инструментами с открытым исходным кодом, некоторые прямые плюсы и минусы перечислены в Таблице 7 для сравнения StarCCM + и openFoam®. Также, наиболее важные аргументы объясняются ниже. Самым очевидным отличием является отсутствие графического интерфейса, которое, кажется, мешает интуитивному использованию и изучению openFoam®. Вся настройка контролируется через текстовые файлы, которые содержат параметры, изменяющие настройку. Эти параметры имеют в основном предустановленное значение и часто не имеют объяснения, для чего используется параметр. Учебные пособия, на которых основана работа большинства начинающих openFoam®, включают также только необходимые текстовые файлы, а не весь диапазон возможностей. Это, а также тот факт, что он состоит из множества различных небольших приложений, а не из одного комбинированного приложения, затрудняет понимание возможностей инструмента. Следующая проблема возникает из-за отсутствия онлайн-поддержки, что является большим недостатком для сложного CFD-приложения, в котором трудно различить ошибки в программе и проблемы с настройкой. Руководство с объяснением некоторых стандартных проблем CFD является единственной помощью для программы. Онлайн-форумы, такие как cfd-online.com [18], помогают снизить сложность, но не являются практичными для каждой проблемы. StarCCM + предлагает, как почти все коммерческие инструменты, практичный графический интерфейс, в котором каждая точка объясняется утилитой помощи, а параметры расположены так, чтобы упростить этапы обучения и предварительной обработки. Ответы на более сложные вопросы будут оперативно предоставлены онлайн-службой поддержки. Сам коммерческий решатель, казалось, был гораздо более стабильно запрограммирован. В то время как пошаговое увеличение скорости, а также первые итерации без турбулентности, где это необходимо, в openFoam® для получения сходящегося решения для гидродинамического расчета 6 м / с, решатель starCCM + выполнил ту же задачу за один проход без проблем и с аналогичным результатом (см. Приложение С). Основным недостатком openFoam® в постобработке является то, что проверка временных результатов (например, поле давления) возможна только на предварительно определенных временных шагах. Они записываются в папку case для каждого шага и производят большое количество данных. Если только одно значение было введено неправильно, пользователь обычно видит свою ошибку после всего прогона. Это может привести к бесполезным циклам. Постобработка выполняется в openFoam® с помощью приложения ParaFoam на основе Paraview (В версии 3.8.1 для данной работы). В коммерческих инструментах запись данных обрабатывается таким же образом, но вы также можете визуализировать в реальном времени фактический временной шаг в графическом интерфейсе. Это позволяет пользователю внимательно следить за развитием расчетов, но поддерживать объем данных в разумных пределах. Самым большим преимуществом для любой экономически эффективной компании по сравнению с коммерческими решателями, безусловно, является то, что openFoam® является бесплатным, то есть не требует лицензии для оплаты. В результате распараллелить вычисления с openFoam® очень просто, запустив его на нескольких ядрах одного компьютера. Коммерческому программному обеспечению обычно требуется столько лицензий, сколько вычислений разделено. В настоящее время при использовании 6–8 ядер на обычных настольных компьютерах это может привести к серьезным затратам. А также производительность параллельных вычислений MPI (Message Passing Interface) очень хорошая с openFoam®. В коротком исследовании с использованием simpleFoam и interFoam может быть показано, что время или информация теряются или теряются лишь из-за разбиения домена или передачи значения между доменами (называемыми процессорами в openFoam®) параллельных вычислений. Если учебник был настроен для конкретной проблемы, openFoam® может быть очень мощным и быстрым инструментом. Иногда StarCCM + может быть непрактичным для повторяющихся вычислений, openFoam® позволяет пользователю настроить и выполнить второе подобное вычисление всего за несколько часов. После того, как аэродинамическая настройка для MYacht была завершена, AYacht потребовалось менее 3 часов для настройки. Большая часть времени была потрачена на создание, настройку и создание сетки файла .stl, в то время как реструктуризация граничных условий и необходимых словарей выполняется очень быстро. Сами расчеты дали разумные результаты с иногда нереалистичными физическими данными с openFoam®, которые, как полагают, происходят из-за временных ограничений данной диссертации и, следовательно, не полной обработки всех возможных методов. Преимущество превосходной расширяемости openFoam®, поскольку любой, кто обладает хорошими навыками C ++ и CFD, может изменять и перестраивать программу, полностью определяемую пользователем, к настоящему времени было замечено большинством коммерческих решателей со многими функциями модификации и интерфейсами программирования, включенными в программное обеспечение. 6.3. Аспекты устойчивости работы Использование программного обеспечения CFD, особенно в openFoam®, предполагает также множество вариантов для улучшения устойчивости систем. Для уменьшения необходимой мощности двигателя, а также расхода топлива и выпуска выхлопных газов оптимизация корпуса судна является одним из наиболее эффективных методов. Важным для этого является вычисление волновой структуры или высоты волны, которая, по общему признанию, может быть выполнена в качестве стандартной практики на большинстве верфей с потенциальными решателями потоков, как уже было сказано. Улучшенное разрешение и изображение кормы и следа судна и возможная оптимизация притока гребного винта с помощью решателя RANS не столь распространены и могут привести к повышению эффективности судна. То же самое касается дизайна и расположения выступающих частей (например, руля, стабилизаторов и т. Д.), Хотя это обычно делают компании-производители, а не верфи. Можно также представить снижение затрат благодаря оптимизации потока в линии выхлопной системы и, тем самым, улучшенным вариантам настройки двигателя и других задействованных устройств. Поток явлений технического оборудования в целом только медленно покрывается методами CFD, и многие возможности для улучшения качества являются мыслимыми. При использовании openFoam® для детального расчета явлений теплообмена, например, на дымовой трубе или других тепловых трубках изоляционный материал может быть уменьшен, поскольку инженеры знают более точное распределение температуры. Моделирование свойств HVAC в стандартном помещении на борту может также повысить энергоэффективность и, например, избежать повреждения чувствительных к нагреванию устройств, возникновения опасных слепых зон, в которых могут накапливаться газы, или просто слишком много энергии для охлаждения и обогрева. Экономия энергии за счет оптимального расположения надстройки, например, используя аэродинамическую модель учебника, также очень легко достичь. Компонент сопротивления ветра или воздуха в общем сопротивлении корабля действительно намного меньше, чем сопротивление корпуса, но в сочетании с лучшими условиями для людей на борту из-за более низких концентраций выхлопных газов, интересная область для инженеров верфи. Меньшие усилия по очистке палубы из-за более низкой концентрации частиц на борту также способствуют менее загрязненной окружающей среде. Последний, но важный фактор для использования CFD, как и во всех модельных тестах, - это избегание «неприятных сюрпризов» в полном объеме. Материальная и энергоемкая переделка может быть предотвращена с помощью хорошего моделирования заранее, что позволяет более детально оценить будущие характеристики судна. Три основных преимущества моделирования CFD можно увидеть снова на рисунке 6.1. 6.4. Выводы диссертации Положительные аспекты openFoam®, упомянутые в последнем разделе, не являются бесплатными или, как это часто бывает в инженерном деле, лишены недостатков. Основная проблема и причина столь низкого распространения openFoam® в судостроительной промышленности заключается в низкой поддержке и не интуитивном обращении с инструментом. С одной стороны, это дорогое обучение openFoam® вопреки бесплатному преимуществу приложения перед коммерческим программным обеспечением, с другой стороны, его трудно освоить из-за множества необъяснимых возможностей и параметров настройки. Но, тем не менее, в настоящее время его проверяют многие верфи из-за его высоких возможностей и низких затрат на использование. Графический интерфейс облегчил бы работу с программным обеспечением CFD для начинающих и облегчил бы легитимизацию трудоемких вычислений благодаря быстро полученным результатам. Чтобы быть более привлекательным для судостроительных заводов, openFoam® требуется упрощенная обработка, при которой в программе фиксируются хорошие рабочие параметры. Большое разнообразие вариантов может иметь большое значение для академической сферы. В повседневной жизни на верфи, где надежная и быстрая информация является основным требованием для использования любого программного обеспечения для моделирования, широко использовалась бы упрощенная версия качественного премиум-инструмента с поддержкой графического интерфейса, сравнимая с большинством коммерческого программного обеспечения. Если хорошая воспроизводимость благодаря структуре копий и вставок сохраняется, у openFoam® могут быть хорошие шансы для решения повторяющихся задач, с которыми часто приходится сталкиваться верфям. Интерфейсы к другим приложениям не являются чрезмерно доступными и, кроме того, ограничены совместимостью только с системой Linux. Большинство верфей должны будут включать OSS в свою стандартную среду Microsoft® Windows®, что может быть проблемой. На установку новой системы Linux можно потратить много времени, если на верфи нет опыта в этой области. Кроме того, в настоящее время в судостроительной отрасли общий спрос на CFD не так высок, как он мог бы быть, и как предлагают его возможности. С точки зрения 1990-х годов он считается слишком медленным, и доверие к качеству расчетов не очень высоко. Но это мышление в последние годы в отрасли изменяется на обратное OpenFoam® особенно медленно разворачивается в сторону морской индустрии. На данный момент существует не так много специализированных приложений для судостроения. В частности, специальная группа по интересам - судовая гидродинамика (SIG) делает пионерскую работу в этой области. Проект openFoam® extended предоставляет платформу для обмена. Однако SIG очень открыт и, следовательно, неструктурирован в плане работы. Выборочные усилия для исследования по одной теме, например, хорошо работающий расчет RANS-следа, делается в академических кругах, но в основном между университетами, имеющими коды CFD. Семинары openFoam® - это возможность для лучшего обмена. Jasak и Rusche [41] перечислили, где openFoam® в настоящее время работает для морских приложений, но в основном для компаний, не имеющих практического университетского уровня. То же самое касается внушительного вклада Эрика Патерсона [42]. Более практичный подход был опробован инженерами STX France [43] с оптимизационным исследованием, выполненным полностью с openFoam®. Их хорошие результаты показали также большую практическую выгоду, которую openFoam® может предложить индустрии. Другой вклад, как уже упоминалось, получен от Кувенберга [33], который внедрил решатель shipFoam, особенно для применения на судах. С этим инструментом 6DoF теоретически возможны расчеты давления и силы. Но во время этой диссертации было отмечено, что работа здесь все еще необходима. Вместе с Р. Муленааром Автор работал над версией shipFoam для openFoam® 1.7.1. Специальные приложения, каждое из которых надежным образом охватывает небольшую часть анализа судна, могут стать шагом в правильном направлении. Это было бы проще с лучшей координацией планов развития openFoam®, чтобы многие разработчики могли работать в одном направлении. В частности, ведущие университеты openFoam® могут сыграть ключевую роль в этом процессе. Поскольку прямая поддержка не согласилась бы с открытым исходным кодом, лучше использовать коммуникационные платформы, чем форумы, на которых вы можете только искать похожие ошибки или надеяться, что кто-то ответит на проблему, возможно, потребуется. Улучшенный список и отсортированный сборник вопросов и ответов на специальные темы в openFoam® может упростить доступ к программному обеспечению для новичков, и тем самым преодолеть ограничение судостроительной и других отраслей для использования программного обеспечения с открытым исходным кодом CFD. 7. Будущая работа Частью будущей работы над openFoam® в морском секторе могло бы стать программирование работающего вязкого решателя для расчетов давления и сопротивления на корпусе корабля. Одновременная реализация стабильного решателя 6DoF необходима для одновременного расчета погружения и удифферентовки. У решателя shipFoam есть все требования, чтобы выполнить это, но требуются дальнейшие исследования, чтобы еще больше уменьшить нестабильное поведение и сделать процесс решения быстрее, чем он есть. Что касается верфи, то можно представить новые модели и дополнения к существующим моделям. В зависимости от использования область применения может или должна быть изменена или увеличена. Расширенное моделирование системы выпуска может дать лучшее представление о поведении потока в дымовой трубе. Для подводного анализа необходимо проверить добавление выступающих частей и их влияние на процесс решения openFoam®. Правильное расположение гребных винтов и рулей представляет большой интерес для верфи и должно быть осуществимо с настоящими моделями. Как для гидродинамических, так и для аэродинамических расчетов предполагался чистый воздух для выхлопа, поскольку он вносит лишь небольшую ошибку и хорошо работает с существующими решателями openFoam®. Программа еще не готова для расчета многофазных потоков в таких сложных средах и только с небольшим временем для настройки и разрешенного расчета. В будущем это может стать работой по созданию стандартной модели для решения проблем многофазного газового потока в судовой промышленности. Но сначала среда openFoam® нуждается в некоторых изменениях, чтобы это сделать. Фактические многофазные решатели в openFoam® запрограммированы для конкретной области исследования, но могут быть подходящими при модификации. Динамическая обработка сетки в openFoam® также нуждается в дальнейшем изучении. InterDymFoam и shipFoam пока не могут решить поведение каждой плавающей структуры. Учебное пособие «Погружение и удифферентовка» работает, но требует слишком большой корректировки на этапе предварительной обработки, чтобы быть полезным для верфи. Функциональность открывает возможности для будущего, но требует дальнейшего тестирования. Еще одна трудность во время работы заключалась в отсутствии стандартной процедуры для выполнения расчетов CFD на судне, как при испытаниях в опытовом бассейне с правилами ITTC. Предварительно пронормированный размер ячейки, толщина пограничного слоя или степень качества сетки могли бы облегчить проверку результатов любого расчета CFD с помощью его модельных тестов, как это имеет место для нескольких стандартных тестов для валидации, таких как случай Wigley или модель 5415. Перечень источников 1. Andersson, B., et al., et al. Computatonal Fluid Dynamics for Chemical engineers. Sixth Editon. Gothenburg : s.n., 2010. 2. Kulkarni, P.R. und Singh, S.N., Seshadri, V. Parametric studies of exhaust smokeasuperstructure interacton on a naval ship using CFD. Computers & Fluids. 2006, 36, S. 794a816. 3. Moctar, O., Gatchell, S. und Bertram, V. Aerodynamic Flow Simulatons around Ship Superstructures. Hamburg : HSVA, 2001. 4. Ferziger, Joel H. und Peric, Milovan. Computatonal Methods for Fluid Dynamics. Berlin Heidelberg : Springer, 2010. 5. Versteeg, H. und Malalasekra, W. An Introducton to Computatonal Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. Upper Saddle River, New Jersey : Prentce Hall, 2007. 6. Blazek, J. Computatonal Fluid Dynamics: Principles and Applicatons. Oxford : Elsevier Science, 2001. ISBNa13: 978a0080430096. 7. Geller, W. Thermodynamic fuer Maschinenbauer - Grundlagen fuer die Praxis. Berlin : Springer, 2006. 8. Batchelor, G. K. An Introducton to Fluid Dynamics. Cambridge : Cambridge University Press, 2000. ISBN 0521663962. 9. Schlichting, H., et al., et al. Boundary-Layer Theory. [Übers.] K. Mayes. 8th. Berlin : Springer, 2000. 10. Craf, T. J. Computatonal Fluid Dynamics and Turbulence Mechanics. [Online] 20. April 2011. htp: cfd.mace.manchester.ac.uk twiki pub Main TimCrafNotesAAllAAccess cfd1apt1.pdf. 11. Larsson, L. und Raven, H. Ship Resistance and Flow. Gothenburg and Wageningen : s.n., 2004. 12. Jasak, Hrvoje. error analysis and estmaton for the Finite volume method with applicatons to Fluid Flows. Department of Mechanical Engineering, Imperial College of Science, Technology and Medicine. London : s.n., 1996. PhD Thesis. 13. Axfors, B., et al., et al. The ARC 45 - A Downwind Performance Cruiser. Gothenburg : Chalmers University, 2010. 14. Shih, T.H., et al., et al. A new kaepsilon eddyaviscosity model for high reynolds numer turbulent fows a model development and validaton. Computers fuids. 1995, Bd. 24, S. 227a232. 15. Yakhot, V., et al., et al. Development of turbulence models for shear fows by a double expansion technique. Physics of Fluids. 1992, Bd. Vol. 4, No. 7, S. 1510a1520. 16. Bardina, J.E., Huang, P.G., Coakley, T.J. Turbulence Modeling Validaton, Testng, and Development. s.l. : NASA Technical Memorandum 110446, 1997. 17. Wilcox, D. C. Turbulence Modeling for CFD. La Canada CA : DCW Industries, Inc., 1998. 18. GNU Free Licence. CFD Online . [Online] MediaWiki, 2011. www.cfdaonline.com. 19. Menter, F.R. Zonal Two Equaton kaω Turbulence Models for Aerodynamic Flows. American Insttute of Aeronautcs and Astronautcs Paper. 1993, 1993a2906. 20. —. TwoaEquaton EddyaViscosity Turbulence Models for Engineering Applicatons. American Insttute of Aeronautcs and Astronautcs ournal. 1994, Vol. 32, S. 269a289. 21. A unifed approach to the design and applicaton of bounded high-order covecton schemes. Waterson, N. P und Deconinck, H. Atlanta : Pineridge Press, 1995. 9th Int. Conf. on Numerical Methods in Laminar and Turbulent Flow. 22. Patankar, S. V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. London : Taylor & Francis, 1980. 978a 0891165224. 23. Hirt, C.W. und Nichols, B.D. Volume of Fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. ournal of Computatonal Physics. 1981, 39, S. 201a225. 24. Youngs, D. L. Time dependent mult a material fow with large fuid distorton. [Buchverf.] K. W. Morton. [Hrsg.] M. J. Baines. Numerical Methods for Fluid Dynamics. New York : Academic Press, 1982, S. 273. 25. Rusche, H. Computatonal Fluid Dynamics of Dispersed two-phase Flow at High Phase Fractons. London : Imperial College of Science, 2002. 26. Ansys Fluent. FLUENT 6.3 Documentaton . [Online] Fluent Inc., 20. September 2006. htp: my.ft.edu itresources manuals fuent6.3 help . 27. Năstase, A. Computaton of supersonic fow over fying confguratons. s.l. : Elsevier, 2008. 0080449573, 9780080449579. 28. Free Softare Foundation. OpenFOAM - User Guide. Boston : s.n., 2008. 29. Fehlmann, Andre. Parameterstudie zur automatschen Gitergenerierung der OpenFOAM Anwendung snappyHexMesh. Bremen : s.n., 2010. 30. Nordin, Niklas. ContribAsnapEdge. [Online] openFoamWiki, 10. February 2011. htp: openfoamwiki.net index.php ContribAsnapEdge. 31. Larsson, L., Stern, F. und Bertram, V. Benchmarking of Computatonal Fluid Dynamics for Ship Flows: The Gothenburg 2000 Workshop. ournal of Ship Research. 2003, Bd. 1, 47. 32. Persson, A. Descripton and implementaton of partcle injecton in OpenFOAM. Gothenburg : Chalmers University of Technology, 2010. 33. Coutenberg, M. Sourgeforge a openFoam extend. [Online] 2010. htp: openfoama extend.svn.sourceforge.net viewvc openfoamaextend trunk BreederA1.6 shipHydrodynamicIG . 34. Proceedings of the CFD Workshop Tokyo 2005. Hino, T. Tokyo, Japan : s.n., 2005. 35. Comparison of explicit algebraic stress models and second-order turbulence closures for steady fows around ships. Deng, G. B. und Visonneau, M. Barcelona : Ecole Centrale de Nantes, 1999. MARNETaCFD First Workshop. 36. NPARC Alliance CFD Verifcaton and Validaton Website. [Online] 27. August 2007. htp: www.grc.nasa.gov WWW wind valid tutorial spatconv.html. 37. Stern, F., et al., et al. Comprehensive Approach to Verifcaton and Validaton of CFD Simulatons a Part1. ournal of Fluids engineering. December 2001, 123, S. 793a802. 38. The defered approach to the Limit. Part I. Single lattce. Part II. Interpenetratng lattce. Richardson, L. F. und Gaunt, J. A. 1927, Philosophical Transactons of the Royal Society of London, Bde. Series A, Containing Papers of a Mathematcal or Physical Character, S. 299a361. 39. Blount, D. L. und Datson, D. Rudder Design for HighaPerformance Boats. Professional Boat Builder. Aug Sept, 2002. 40. Simulatng Cavitatng Flows with LeS in openFoam. Bensot, R. E. und Bark, G. Lisbon, Portugal : s.n., 2010. V European Conference on Computatonal Fluid Dynamics. 41. Jasak, H. und Rusche, H. Marine Hydrodynamics Solver in openFoam. [Online] 2008. htp: powerlab.fsb.hr ped kturbo OpenFOAM slides OSCFDCA4Dec2008.pdf. 42. Simulaton Of Wakes, Wave Impact Loads, and Seakeeping Using OpenFoam. Paterson, E., Smith, K. und Ford, S. Montreal, Canada : s.n., 2009. 4th OpenFOAM® Workshop. 43. Cordier, S, et al., et al. Application of OpenFOAM® To Hull Form Optimisation At STX France. s.l. : RINA. Appendix A Short introduction to OpenFoam® An openFoam case is not controlled with an interactive user interface, but with text files (see Figure_apx A.1), so called dictionaries, and the Linux console / terminal. For a calculation three folders need to be created / copied: /system /constant /0 /system contains all information about the solving process /constant contains all information about the mesh, turbulence models and other constants /0 or /0.org contains the boundary conditions - the starting values for each field parameter OpenFoam® Handling In the following section the most important dictionaries and input files are explained shortly. A dictionary in openFoam® contains all information that the program has to know. For an example all data to control the application blockMesh is stored in the blockMeshDict text file. There is no online support, but some help can be found at: http://www.openfoam.com/docs/user/index.php With many problems help can be found also in online forums, like: htp://www.cfd-online.com/Forums/openfoam Important openFoam® commands (Execute in the Linux terminal in the current case folder) Utilities: http://www.openfoam.com/docs/user/standard-utilities.php#x14-900003.6 Solvers: http://www.openfoam.com/docs/user/standard-solvers.php blockMesh a Domain for the computatons checkMesh a Check of the current mesh decomposePar a Dividing the domain into defned parts for parallel computng foam ob -s -p COMMAND a Parallel computng of the command "COMMAND" reconstructPar a Rebuilding of the domain (mesh, feld values, etc) reconstructParMesh a Rebuilding of the generated mesh e. g. "reconstructParMesh -mergeTol 1e-06 -latestTime" snappyHexMesh a Grid generaton of the .stl (File: system snappyHexMeshDict) transformPoints a Treatng of mesh points e. g. Turning of the mesh: transformPoints -yawPitchRoll "(0 0 0)" Scaling of the mesh: transformPoints -scale "(1 1 1)" surfaceCheck - Check of the .stl file setFields - Pre-processing of the phase distribution α and the field values yPlusRAS - Check of the y+ value The most important folders In /constant all the physical properties are defined. The most common are: transportProperties (Definition of the phase constants rho, nu, etc) turbulenceProperties (Choice of turbulence models: laminar, RASModel, LESModel) RASProperties (Choice of RANS models: z. B. kEpsilon) LESProperties (Choice of LES models) g (Definition of the gravitational constant) environmentalProperties (g in oF 1.6) dynamicMeshDict (Definition of the dynamic meshing - z. B. staticFVMesh for static meshes) thermophysicalProperties (For heat transport) /polyMesh/blockMeshDict (Definition of the block mesh and the patches/boundaries) In /system the entire solver controls are defined. The most common are: controlDict (Definition of the solver, time step, writing, extra functions like force output) decomposeParDict (Splitting of the domain) fvSolution (Definition of solution algorithms, relaxation factors) fvSchemes (Definition of the schemes used for each field value) setFieldsDict (Phase interface definition before the solving process) snappyHexMeshDict (Definition of the meshing of the .stl geometry file) In/0 the boundary conditions for U, p, α, ε, etc. is defined Depending on the writing time starting from the /0 directory the field values are stored in similar folders during the solving process (e. g. /0.1, /0.2, etc.) Appendix B Aerodynamic validation pictures (MYacht) Pipe flow without a wind angle Appendix C Hydrodynamic comparison pictures (Cyacht)
