Главная / Уроки / Примеры по FlowVision / Создание варианта для моделирования обтекания корпуса судна в FlowVision HPC

Создание варианта для моделирования обтекания корпуса судна в FlowVision HPC

( 5 Голосов )
Anton Dmz 02.11.2009

Введение

В FlowVision существуют различные классы задач, для которых можно предложить типовую процедуру построения расчетной модели. К таким задачам относится обтекание различных корпусов судна, где, как правило, необходимо рассчитать сопротивление судна при его движении с заданной скоростью. Данные рекомендации созданы для пользовате-лей, которые уже имеют навыки работы в FlowVision и могут самостоятельно задать вари-ант в FlowVision, но не знают тонкостей создания расчетной модели с подвижными (или неподвижными) телами.

После изучения данных рекомендаций Вы узнаете:
1. Как выбирать расчетную область.
2. Какие существуют особенности при расстановке граничных условий.
3. Какие существуют особенности при создании расчетной сетки.
4. Какие существуют особенности при задании шага интегрирования.
5. Как наиболее эффективно визуализировать решение.

 

Описание задачи

 

Рассматривается задача обтекания корпуса яхты в обратной постановке - движение яхты относительно расчетной области заменяется движением воды в расчетной области вокруг яхты. Это позволяет при сравнительно небольших размерах расчетной области моделировать движение судна в течении любого количества времени. Рассмотрим прямолинейное (без циркуляции) движение яхты с постоянной скоростью. Так как корпуса судов обычно обладают симметрией, то чаще подобные задачи решаются в симметричной постановке, где проводится моделирование только половины расчетной области, а полная картина обтекания создается при зеркальном копировании решения относительно плоскости симметрии (см. Рис. 1).

 

Решаемая задача

Рис. 1 Задача в симметричной постановке

 

В дальнейшем будут излагаться принципы построения расчетной модели именно в симметричной постановке.

 

Геометрия расчетной области.

 

В общем случае рассматривается движение судна, в том числе, с числами Фруда, приводящими к изменению посадки корпуса на воду относительно режима плавания с V=0 m/c. Для определения параметров посадки корпуса на воду (осадка и угол дифферента) последнее вставляется в расчетную область как Подвижное тело. Таким образом, перед fначалом подготовки расчетной модели следует иметь два файла с геометрией - расчетную область (фрагмент акватории) и корпус судна. Оба файла должны быть представлены в сеточном формате (STL или VRML).

Размер расчетной области выбирается из соображений минимизации воздействия внешних граничных условий на картину обтекания корпуса яхты. Если рассматривается движение в неограниченной акватории, то рекомендуемые начальные размеры расчетной области, относительно характерных размеров корпуса судна, указаны на Рис.2.

 

Рекомендуемые размеры расчетной области

Рис. 2 Рекомендуемые размеры расчетной области

 

Также можно применить методики экспериментальных гидроканалов, где модели-руют условия открытых акваторий исходя из соотношения размеров гидроканала и разме-ров модели. Размер модели делают кратным 10 по ширине корпуса и ее подводной части. Т.е. ширину расчетной области достаточно иметь не более 10 полуширин корпуса, глубину области - не более 10 максимальных осадок корпуса (часть корпуса, находящаяся под водой).

При задании варианта следует понимать, что данные размеры являются рекомен-дуемые, но не обязательными. Например, требуется рассчитать обтекание судна в бассейне. Тогда размеры расчетной области будут жестко определятся размерами бассейна. То же касается движения судов на мелководье или в каналах (например, вхождение в шлюз). В этом случае расстояние до дна определяется физическими размерами и формами дна. Так же после предварительного расчета размеры расчетной области могут быть скорректированы в соответствии с картиной обтекания.

 

Задание варианта

 

При задании варианта необходимо выполнить следующую последовательность действий.


1. Создание варианта

Для создания варианта следует загрузить файл с расчетной областью в FlowVision.


2. Задание гравитации и гидростатического уровня

При расчете задач с учетом гидростатического давления необходимо корректно за-дать условия для вычисления гидростатического давления. FlowVision HPC позволяет зада-вать несколько пространственных слоев, в каждом из которых будет своя плотность для расчета собственного столба на основе единого вектора ускорения свободного падения.
Задание уровня гидростатики и гравитации задается в закладке Общие параметры дерева препроцессора (см. Рис 3).

 

Задание гравитации и гидростатического слоя

Рис. 3 Задание гравитации и гидростатического слоя

 

Гидростатический слой необходимо задавать от начала уровня раздела сред. На-правление Вектора гравитации выбирается исходя из ориентации корпуса судна в про-странстве. g Точка - это нулевой уровень, относительно которого начинается отсчет гидро-статического столба. g Плотность - это опорная плотность пространства над g Точкой. Та-ким образом, для задачи обтекания корпуса, задание перечисленных параметров форми-рует необходимые данные для пространства над водой.

Далее следует задать толщину слоя и величину опорной плотности под поверхно-стью воды. Для этого в закладке Слой необходимо нажать на кнопку @. При этом создается новый гидростатический слой прилегающий к g Точке снизу по ходу вектора ускорения свободного падения. Необходимо задать глубину слоя и опорную плотность в нем.


3. Задание уравнений и начальных условий

Для того чтобы добавить в расчет течения жидкости моделирование свободной по-верхности (VOF) следует создать две Фазы.

Одна Фаза - это фаза жидкости, куда добавляется вещество, заданное в закладке Вещества. В этой фазе задается расчет движения фазы и уравнения турбулентности.

Вторая Фаза пустая, т.е. не должна нести в себе никаких уравнений (квази-вакуум). Затем следует создать Модель, куда переместить заданные Фазы. При этом в списке ре-шаемых уравнений Фазы#0 появится дополнительный пункт расчета уравнений переноса фазы. (см. Рис. 4).

 

Задание расчета уравнений переноса фазы

Рис. 4 Задание расчета уравнений переноса фазы

 

Начальное положение и форма свободной поверхности задаются через Начальные условия в закладке Модели дерева препроцессора. Необходимо не забыть установить Объем фазы равный 1 (единице). После этого должен быть создан объект (параллелепи-пед) в котором будет установлено данное начальное условие. Начальное условие устанав-ливается в объекте при работе с подобластью. Верхняя граница параллелепипеда должна совпадать с уровнем свободной поверхности и уровнем Граничного условия, из которого будет осуществляться вток основной массы воды в расчетную область.


4. Граничные условия

 

При моделировании процессов обтекания следует расставлять граничные условия следующим образом:

 

Расстановка граничных условий
Рис. 5 Расстановка граничных условий

Граничное условие

Тип граничного условия

Параметры

0 и все непоказанные

Свободный выход

 

1

Симметрия

 

2

Вход/Выход

Задается массовая скорость

Задается объем фазы = 1

3

Вход/Выход

Задается массовая скорость

Задается объем фазы = 0


При моделировании движения судна в бассейне или на мелководье на дне следует задавать ГУ стенка.


5. Вставка судна (подвижного тела)

 

Для вставки судна в расчетную область его сначала следует загрузить как объект, а затем создать модификатор подвижного тела в подобласти.

 

Вставка судна в подобласть

Рис. 6 Вставка судна в подобласть

Если требуется рассчитать обтекание неподвижного судна, то его достаточно загру-зить и отключить обновление положения. Если же требуется рассчитать обтекание судна с учетом воздействия на него гидродинамических сил, то следует задать массу и моменты инерции судна.

На подвижное тело необходимо установить граничное условие типа Стенка


6. Дискретизация задачи по пространству и времени

 

При построении расчетной сетки следует учитывать, что граница раздела фаз должна быть максимально разрешена. Пример расчетной сетки приведен на Рис.7.

 

Расчетная сетка

Рис. 7 Расчетная сетка

 

Так же при расчете можно дополнительно адаптировать сетку по решению - по границе раздела фаз.

При расчете шаг интегрирования уравнений для уравнений движения и уравнений свободной поверхности выбирается независимо друг от друга. Шаг интегрирования для уравнений движения пользователь выбирает самостоятельно, исходя из числа Куранта (CFL). Для дозвуковых несжимаемых течений допускается задавать число CFL=1?-100. При этом форма свободной поверхности будет рассчитываться алгоритмом самостоятельно и не должна привести к развалу задачи.

Стратегия решения задачи

Задать CFL=1 и решать задачу до установления по интегральным характеристикам - сила, угол дифферента, осадка.
Можно задать CFL=100 и решать задачу до некоего начального грубого приближения по интегральным характеристикам - сила, угол дифферента, осадка. После этого, задать CFL=1 и проследить поведение интегральных характеристик до их установления. Однако, следует понимать, что согласование нестационарных процессов на разных числах Куранта, на практике может привести к получению решения далекому от реального физического процесса.


Результаты расчета

 

Как правило, во время расчета конструкторов интересуют многие параметры. Самый рас-пространенный это сила сопротивления движению, действующая на корпус. По ней удобно контролировать поведение судна и сходимость задачи. Ее можно выводить в окно графиков.

 

Визуализация графика изменения силы

Рис. 8 Визуализация графика изменения силы

 

Для этого необходимо создать в Препроцессоре Супергруппу по граничному усло-вию, установленному на судне. На этом граничном условии создается Характеристика по давлению. Затем в дереве в закладке Солвер в папке Условия останова в пункте Пользовательские величины создается Критерий останова. В нем указывается имя критерия, характеристики, из которых он берется, и переменная в Характеристиках.


Выводы

 

Для корректного решения задач об обтекании судов следует внимательно отнестись к следующим пунктам:

1. Размеры расчетной области в начале расчета выбираются исходя из размеров судна. По мере появления опыта решения задач размеры области будут выбираться из первичной оценки размерностей волновой системы, образованной судном.

2. Так как корпуса судов симметричны, задачи решаются в симметричной постановке. Полную картину обтекания можно получить при отражении волновой поверхности относительно плоскости симметрии

3. Для того чтобы рассчитывалось уравнение переноса жидкости необходимо создать две фазы, одна из которых моделирует движение воды, а другая не содержит никаких уравнений.

4. При расстановке граничных условий над границей входа воды следует задавать фиктивный вход, повторяющий по условиям вход, но объем фазы должен быть равен Нулю.

5. Расчетная сетка должна быть максимально сгущена у границы раздела фаз и в местах градиентов, вызванных нерегулярностями в обводах судна.

6. Шаг интегрирования выбирается исходя из условия CFL = 1. Возможно, увеличение шага по времени до CFL = 100, но не для каждой задачи.

7. Показателем установления решения задачи следует считать установление силы со-противления движению. Ее можно выводить непосредственно в окно графика.


Заключение

В заключении авторы надеются, что данный труд поможет Вам в решении задач об обтекании различных судов.

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Рассылка

подробней о рассылке

Последнее в разделе

© ProCae.ru 2007-2010 При полной или частичной перепечатке редакционных и авторских материалов гиперссылка на «ProCae.ru» обязательна

Специализированный автосервис Субару занимается ремонтом Легаси с 1997 года. Распродажа окон - окна пластиковые. Пластиковые окна от 4880 руб. Зеленоград. Всё для оргтехники: заправка картриджей.