1、 CFD技术在船舶推进中的应用技术在船舶推进中的应用主讲教师：沈海龙主讲教师：沈海龙设课部门：水下机器人技术重点实验室设课部门：水下机器人技术重点实验室第一章第一章 绪论绪论 1.1 CFD技术的基本知识技术的基本知识1.1.1 什么是CFD？CFD是computational fluid dynamics的简称，准确的中文译名为计算流体动力学，目前大家习惯的称谓是计算流体力学，它是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科，通过计算机数值计算和计算结果的后处理技术，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行分析，在时间和空间上定量描述流场各物理量的近似解。第一章第一章
2、 绪论绪论 1.1.1 什么是CFD？CFD的基本思想可以归结为：用时间域及空间域上有限个离散点上的变量值构成的集合，来替代在时间域及空间域上连续的物理量的场，借助质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等流体流动遵循的基本定律建立反映流体流动问题本质的数学模型，寻求高效精确的数值计算方法，通过编写程序和数值计算来实现数学模型的离散化和求解，最后通过结果后处理技术获得流场各变量的近似解。第一章第一章 绪论绪论 1.1.2 为什么要学习CFD技术 在流体力学中，常用的研究方法有理论研究方法、CFD方法、实验测量与观察，他们构成了研究流体流动问题的完整体系,三种方法取长补短，相互促进。实验研究是理
3、论研究和CFD的基础，是建立运动规律与理论模型的依据；理论研究反过来指导实验研究和验证新的数值计算方法；而 CFD则是建立在理论研究和实验研究的基础上，它借助实验研究分析流体流动问题的物理特性，借助理论研究建立反映流体流动问题本质的数学模型。第一章第一章 绪论绪论 1.1.2 为什么要学习CFD技术 理论研究方法的特点:通过实验测量与观察对流体的物理性质及运动特性进行分析研究，设计出合理的理论模型，根据流体流动遵循的普遍定律及相关公式，建立描述流体运动规律的封闭方程组（积分形式或微分形式）以及与之相应的初始条件和边界条件，利用各种数学工具准确地解出方程组的精确解或解析解，进而清晰、普遍地揭示出
4、流体流动的内在规律，但该方法只局限于少数比较简单的理论模型，目前还不能处理较复杂的流动问题。第一章第一章 绪论绪论 1.1.2 为什么要学习CFD技术 实验研究方法的特点：能够针对所研究的问题，设计完全相同或满足相似理论的试验模型进行观测，所得到的结果真实可信，但是实验方法往往受到模型尺寸、流场扰动、测量精度等因素的限制，有些问题（碳酸岩油田的渗流）还无法在实验室进行实验研究，此外，实验还会遇到经费、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。第一章第一章 绪论绪论 1.1.2 为什么要学习CFD技术 而CFD方法恰好克服了前两种方法的缺点，能够解决理论研究方法无法解决的复杂流动问题，与实验方法相
5、比，它所需的费用和时间都比较少，并且不受模型尺寸的限制，很容易模拟特殊尺寸、有毒、高温、易燃等真实条件以及实验中只能接近而无法达到的理想条件。但它自身也具有一定的局限性，要求对问题的物理特性有足够的了解，并能建立较精确的数学模型。第一章第一章 绪论绪论 1.1.3 CFD方法的分支 经过半个世纪的发展，CFD出现了多种数值解法。这些方法之间的主要差别在于对控制方程的离散方式。根据离散原理的不同，CFD大体上可分为三个分支：(1)有限差分法（finite difference method，FDM）;(2)有限元法（finite element method，FEM）;(3)有限体积法（fini
6、te volume method，FVM）。第一章第一章 绪论绪论 1.1.3 CFD方法的分支(1)有限差分法(FDM)是数值解法中最经典的方法。它将求解区域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程(控制方程)的导数用差商代替，推导出离散点上未知数的差分方程组。第一章第一章 绪论绪论 1.1.3 CFD方法的分支(2)有限元法(FEM)是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，在各小单元上构造插值函数，然后根据极值原理(变分或加权余量法)，将物理问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之和，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，
7、求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。第一章第一章 绪论绪论 1.1.3 CFD方法的分支(3)有限体积法(FVM)又称为控制体积法，是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，从而得到一组离散方程，其中的未知数是网格节点上的因变量。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒适用于任意一组控制体积，从而对整个计算区域，因变量的积分守恒自然也得到满足，这是有限体积法吸引人的优点。第一章第一章 绪论绪论 1.1.3 CFD方法的分支 有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即使在粗网格
8、情况下，也显示出准确的积分守恒，而且计算量相对较小，是目前CFD应用最广的一种方法，如CFX、FLUENT软件等均采用有限体积法。第一章第一章 绪论绪论 1.1.4 CFD方法研究流体流动问题的主要步骤 采用CFD方法研究流体流动问题的主要步骤如下。1、建立反映问题(工程问题、物理问题等)本质的数学模型，即理论研究部分的主要工作。2、寻求高效率、高准确度的计算方法。计算方法不仅包括控制方程的离散化及求解方法，还包括边界条件的处理，这是CFD方法的核心工作。第一章第一章 绪论绪论 1.1.4 CFD方法研究流体流动问题的主要步骤 3、编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格的划分、初始条件和边
9、界条件的输入、控制参数的设定等，是整个工作中花费时间最多的部分。当求解的问题比较复杂时，还需要通过实验加以验证。4、计算结果的后处理。后处理工作既包括计算程序给出的原始求解结果，也包括利用各种专业后处理软件得到的各物理量及其在流场中分布的云图、等值线图、矢量图、散点图、曲线图等。第一章第一章 绪论绪论 1.1.5 CFD软件 为了完成CFD计算，既需要理论研究方法和数值计算方法方面的坚实基础，又需要具备编写计算程序的能力，显然，CFD的初学者不能同时具备这些条件。然而，自1981年以来，出现了如FLUENT、CFX、PHOENICS、STAR-CD、FIDAP、FINE/MARINE等多个商用
10、CFD软件，使得CFD的初学者能够利用CFD技术开展相关研究工作。目前在国内比较普及的主要是CFX和FLUENT，因此，本课程将主要讲解基于FLUENT软件的CFD技术在船舶推进中的应用。第一章第一章 绪论绪论 1.1.5 CFD软件 FLUENT是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CFD软件。FLUENT支持UNIX和Windows等多种平台，支持基于MPI的并行环境，提供人机交互的菜单界面，用户可通过多窗口方式随时观察计算进程和计算结果。FLUENT提供用户编程接口，让用户定制或控制相关的计算和输入输出。FLUENT软件包由前处理器、求解器和后处理器构成。第一章
11、第一章 绪论绪论 1.1.5 CFD软件 前处理器主要是几何模型和网格生成软件，包括GAMBIT、TGrid、ICEMCFD及其他CADCAE软件包；求解器是FLUENT软件包的核心，同时具备简单的后处理功能；较复杂的后处理工作多数由Tecplot，Fieldview等专业后处理软件完成。第一章第一章 绪论绪论 1.1.6 基于FLUENT软件求解流动问题的步骤 首先应针对所要求解的物理问题进行初步判断，明确CFD方法能提供的结果是否满足需求，考虑该流动是无粘、层流、还是湍流，是稳态还是瞬态，是否考虑热交换，是否可压缩，是否多相流，是否需要应用其他物理模型等，然后就可以按以下流程进行求解。(1
12、)生成几何模型，建立求解控制域，生成计算网格，设定边界条件类型；(2)选择2D或3D网格模式输出网格；第一章第一章 绪论绪论 1.1.6 基于FLUENT软件求解流动问题的步骤 (3)将网格导入FLUENT求解器；(4)检查网格；(5)选择求解方式；(6)选择求解模型；(7)确定流体属性；(8)指定边界条件；(9)设定求解相关参数；(10)流场初始化；第一章第一章 绪论绪论 1.1.6 基于FLUENT软件求解流动问题的步骤 (11)迭代计算；(12)判断计算结果是否收敛；(13)保存结果，后处理等；(14)如果必要，修改网格或求解参数，重复上述过程。第一章第一章 绪论绪论 第2 节 CFD技
13、术的应用现状 CFD是20世纪60年代伴随着计算机技术的发展而迅速崛起的学科，经过半个世纪的迅猛发展，目前己相当成熟，各种CFD通用商业软件包陆续出现，为工业界广泛接受，性能日趋完善，应用范围不断扩大。如今，CFD技术的应用早己超越传统的流体力学和流体工程的范畴，被广泛应用于航空航天、能源动力、交通运输、船舶海洋等工业领域，换句话说，凡是和流体流动相关的都可以用CFD。第一章第一章 绪论绪论 第2 节 CFD技术的应用现状 在船舶与海洋工程中的应用包括：（1）应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能，包括物理量的预报和流场细节预报；（2）CFD技术的工程化应用。第一章第一章 绪论绪论
14、1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（1 1）舵、翼、鳍等水动力性能预报）舵、翼、鳍等水动力性能预报图1 基于NACA0015剖面设计M1剖面图2 基于NACA0015剖面设计M2剖面图3 NACA0015、M1、M2剖面水动力性能的预报与比较图4 设计舵翼外形RW1 图5 设计舵翼外形RW2 图6 设计舵翼外形RW3 图7 舵翼初始外形 图8 采用M2剖面和各外形的舵翼性能预报与比较图9 性能最佳的舵翼（M2剖面与RW3外形组合）第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（2 2）螺旋桨水动力性能预报）螺旋桨水动力性能预报图10
15、典型常规螺旋桨的推力、转矩及效率预报图11 螺旋桨叶背处速度与压力分布预报图12 螺旋桨尾流预报图13 螺旋桨空泡预报第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（3 3）裸船体阻力预报）裸船体阻力预报图14 KCS船裸船体阻力求解模型第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（4 4）船体与舵相互干扰的性能预报）船体与舵相互干扰的性能预报图15 57k散货船船舵干扰求解模型第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（5 5）船桨干扰性能预报）船桨干扰性能预报图16 KCS船与
16、KP505桨整体求解模型第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（6 6）船桨舵相互干扰的性能预报）船桨舵相互干扰的性能预报图17 57k船桨舵整体求解模型第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（7 7）潜器水动力性能预报）潜器水动力性能预报图18 潜艇表面压力分布云图第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（8 8）船舶六自由度运动性能预报）船舶六自由度运动性能预报图19 船舶六自由度运动与破碎波捕捉第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构
17、物的流体动力性能（9 9）船舶在波浪中的运动性能分析）船舶在波浪中的运动性能分析图20 船舶在波浪中的运动性能分析第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（1010）实船与船模尺度效应预报）实船与船模尺度效应预报图21 实船与船模尺度效应预报第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（11 11）海上钻井平台波浪载荷分析）海上钻井平台波浪载荷分析图22 海上钻井平台波浪载荷分析第一章第一章 绪论绪论 1.2.1应用CFD技术预报船舶与海洋结构物的流体动力性能（1212）流场细节预报）流场细节预报图23 流经桨盘面
18、的流体轨迹预报第一章第一章 绪论绪论 1.2.2 CFD技术的工程化应用（1 1）附体设计与性能预报）附体设计与性能预报图24 舵球第一章第一章 绪论绪论 1.2.2 CFD技术的工程化应用（2 2）产品优化设计与性能预报）产品优化设计与性能预报图25 某散货船船首与船尾方案比较第一章第一章 绪论绪论 1.2.2 CFD技术的工程化应用（3 3）仿制先进产品仿制先进产品图40 舵球“反潜战持续跟踪无人航行器”ACTUV的仿制与技术参数评估图26 ACTUV的网络资料图片图27 仿制的ACTUV对比图片图28 CFD预报的仿制ACTUV航速与功率之间关系曲线第一章第一章 绪论绪论 1.2.2 C
19、FD技术的工程化应用（4 4）产品的自主创新设计产品的自主创新设计图30 融合“Stiletto短剑号”与“bladerunner 51”优点后自主设计的新船型图29“Stiletto短剑号”M型船与“bladerunner 51”网络图片第一章第一章 绪论绪论 第3 节 CFD技术的应用技巧1.3.1 GAMBIT软件的应用第一章第一章 绪论绪论 第3 节 CFD技术的应用技巧1.3.2 Tgrid软件的应用第一章第一章 绪论绪论 第3 节 CFD技术的应用技巧1.3.3 FLUENT软件的应用 本门课程共24学时，基本教学内容包括：（1）绪论部分，讲解CFD技术在船舶工程上的应用现状与前景
20、，CFD技术的基本知识与应用技巧；（2）以NACA0018机翼剖面为例，全面介绍应用FLUENT、GAMBIT、Tgrid软件预报NACA0018剖面的二维翼型和三维机翼水动力性能的详细过程，熟悉和掌握上述软件在船舶工程中的应用方法；本课程的主要教学内容本课程的主要教学内容 （3）结合KP505螺旋桨的试验资料，介绍常规螺旋桨三维几何模型的建模方法、优化组合GAMBIT和Tgrid软件完成螺旋桨及流场网格的划分方法，以及应用FLUENT软件预报螺旋桨水动力性能的求解过程；（4）结合桨舵干扰的特点，介绍桨舵干扰不同求解方法的特点，以及应用FLUENT、GAMBIT、Tgrid软件预报桨舵干扰水动力性能过程中所涉及的流场分块、网格划分、求解技巧等相关知识。本课程的主要教学内容与学时分配本课程的主要教学内容与学时分配课后习题：（1）研究流体力学问题都有哪些方法？各种方法得到的结果都有什么特点？（2）CFD方法有哪些优点？（3）对于初学者来说，应用CFD商业软件研究流体力学问题有哪些好处？
