船舶与海洋工程专业仿真平台FINEMarine介绍

船舶与海洋工程专业仿真平台FINE/MARINENUMECABEIJINGNUMECABEIJING2目录一、引言1二、NUMECA公司介绍121NUMECA国际公司122NUMECABEIJING公司2三、船舶与海洋工程专业仿真平台FINE/MARINE简介231全六面非结构网格3311HEXPRESS快速、高自动化的网格生成4312HEXPRESS生成网格实例532界面捕捉法处理自由表面633STOKES数值波浪模型7346DOF运动735船桨耦合836弹性锚定837丰富的湍流模型9四、NUMECA其它产品介绍10五、工程咨询和技术支持13六、NUMECA公司联系方式13NUMECABEIJING1一、引言理论分析、水上实验研究及数值仿真研究是船舶乃至所有航行器的研制过程中三种密不可分的方法。然而，随着计算机技术和CFD软件的快速发展，三者之间的比重关系也在发生重大变化。据专家预测，在未来的航行器气、水动力设计中，从最佳费效比出发，CFD研究应约占整个设计工作量的70，而水上实验的工作量将只占30。无论从节省研制费用、缩短设计时间考虑，还是从提高设计水平出发，CFD的发展都将给水动力设计带来一场革命。未来船舶及跨介质航行性能的确定，在很大程度上将依赖于在“虚拟水上试验（即CFD）”数据，这将是船舶与海洋工程研制的主要发展方向。对于船舶及跨介质的飞行器水动力的CFD模拟，目前国内一般都采用通用的计算流体力学软件，这些通用的计算流体力学软件虽然也可以初步的模拟船舶的水动力，由于其不是专门针对船舶与海洋工程的软件平台，对船舶海洋工程放入水动力问题模拟，需要通过接口函数及二次开发功能来实现，给工程师的工作造成了很大的不方便；并且普遍没有专门来考虑船舶的风浪等外力作用，以及相应作用下产生的各种摇荡运动的给定与求解，其应用不能够很好的满足船舶海洋工程的需求。这可以从一些科技工作者应用通用的计算流体力学软件实现数值波浪或数值水池槽的模拟所发表的科技文章得到证明。二、NUMECA公司介绍21NUMECA国际公司NUMECA国际公司是为全球用户提供性能卓越的计算流体力学（CFD）软件和咨询服务的国际公司，于1992年在比利时王国科学院院士、布鲁塞尔自由大学流体力学系主任查尔斯赫思（CHARLESHIRSCH教授的倡导下成立。其核心软件是在该系8090年代为欧洲宇航局ESA编写的CFD软件欧洲空气动力数值求解器EURANUS的基础之上发展起来的。目前NUMECA系列软件被广泛的应用与各种流动、流热耦合和流固耦合等方面的数值模拟、创新设计和性能优化。NUMECA国际公司的总部位于比利时布鲁塞尔市，在中国、美国、德国、法国、意大利、俄罗斯、西班牙、日本、韩国、印度、印度尼西亚、波兰、马来西亚等国家和地区设有办事处、代理商和服务中心。NUMECABEIJING2NUMECA国际公司一直致力于高度集成及用户化的数值模拟软件。这些软件均采用最新的数值分析技术。NUMECA国际公司集中了许多优秀的CAE工程师，他们可以为用户提供及时有效的技术支持和服务。22NUMECABEIJING公司尤迈克北京流体工程技术有限公司NUMECABEIJING位于北京中关村高新科技园区，于2002年正式在中国大陆开始业务拓展，进而于2004年在台湾设立分销商，全权负责NUMECA国际公司在大中华区的软件销售、工程咨询以及技术培训等业务。经过多年发展和业界鼎力支持，尤迈克凭借其技术的创新性、算法的稳定性、结果的可靠性，已成为当前最具创新性最有影响力国内成长最快的一流CFD及CAE解决方案供应商之一。尤迈克始终秉承“一流的产品，一流的技术，一流的服务”的宗旨，以高速、高效和高质量的反馈响应用户的需求。为用户提供全自动、一体化和专业的软件系统，帮助用户实现最优、最快捷的模拟、设计和优化。并在提供全面解决方案过程中与用户共同提升价值，持续发展，不断提高用户满意度。同时尤迈克拥有稳定的技术合作伙伴，在国内成立了多家工程技术中心和技术支持中心。尤迈克拥有一支以博士/硕士为主体的国内最大专业队伍，其中既有具备丰富工程经验的高级/资深工程师，也有理论功底深厚的技术专家，他们大多来自航空航天海洋船舶、能源动力、交通运输、兵器等行业，熟稔相应行业的最新技术特点和需求。凭借强大的技术力量，尤迈克在为用户提供世界一流工程软件的同时，已成功地完成多项技术难度大、任务紧迫的工程咨询项目。尤迈克将一如既往地为全国企业及其研发中心、科研机构和大学的新产品研发和应用基础科学研究提供服务，为中国工程界用户提供技术领先的软件，分享先进的理念，提高国内相关行业的科研和设计开发能力，协助我们的用户提高产品质量、创造一流品牌，在全球化的竞争浪潮中提升核心竞争力，不断创新，实现可持续的增长。三、船舶与海洋工程专业仿真平台FINE/MARINE简介FINE/MARINE是NUMECA公司为船舶与海洋工程打造的专业CFD软件包，包含全六面体非结构网格生成器HEXPRESS、功能强大的后处理工具CFVIEW以及由法国国家科学院开发的不可压粘性流场求解器ISISCFD。该软件以其自身技术优势及特点为船舶及海洋工NUMECABEIJING3程提供了新颖有效的解决方案，促进船舶与海洋工程更快更好地发展、缩短研发周期、减少成本、增加竞争力，在欧美各大企业及实验室享有盛誉。FINE/MARINE对于船舶工程问题的模拟，都可以通过界面方便的设置，无需工程师通过二次开发功能来实现，为工程师的应用提供了极大地方便，并且高度自动化的全六面体非结构网格制作也使船舶工程师受益非凡。FINE/MARINE软件包的具体技术优势有以下几个方面图1软件构成31全六面非结构网格针对任意复杂几何体快速生成全六面体非结构网格HEXPRESS是一套高度自动化的全六面体非结构网格生成软件，作为NUMECA公司网格划分的旗舰工具之一，生成的网格不仅适用于NUMECA公司的FINE/HEXA、FINE/MARINE的计算求解，而且对目前其他的CFD软件如FLUENT、STARCD也同样适用。该技术打破传统网格划分工具（如GRIDGEN、ICEM等软件）网格划分的方式、方法，实现了高速、高自动化、高质量等几大非结构网格技术的完美结合。在GRIDGEN、ICEM等商业网格生成器中，网格生成采用了以几何边为基元控制网格分布的方法，用户需要对每一条几何边进行划分，并设置适当的网格点分布，生成表面网格，然后向空间拓展。同时，为了更好控制网格密度的分布，往往还需要在几何模型上进行几何面的切割，生成新的棱边并进行网格点布置。因此，这种网格生成方式需要预先进行繁复的表面网格划分，而这些表面网格的生成一般要占网格生成时间的7080。而HEXPRESS采用了国际上最先进的由体到面的网格生成方式，将复杂模型计算域的网格生成简化为仅需HEXPRESS全六面体非结构网格生成器ISISCFD自由表面粘性流场求解器CFVIEW流场分析显示GUI初始几何模型NUMECABEIJING4使用者选择几个参数和轻点几次鼠标的过程，在很大程度上颠覆了传统网格划分工具（如GRIDGEN、ICEM等软件）网格划分的方式、方法，实现了粘性网格技术、高度自动化技术和复杂外形的适用性技术等非结构网格几大技术优势的完美结合。HEXPRESS作为全六面体非结构网格生成软件，采用了先进的由体到面的网格生成技术，网格单元基本按照笛卡尔坐标方向（X，Y，Z）排列，在物面附近网格被适当细化并投影到物面上，从而形成贴体网格，准确描述物体的外形。在计算域中的绝大部分区域，网格单元都接近于长方体，网格质量非常高，能达到很高的计算精度，并能很好的模拟粘性边界层。HEXPRESS采用的优化方法能保证很好地消除物面附近的负体积和凹体积，生成的计算网格具有很高的质量。一般情况下，最终计算网格的正交性高于80的网格单元占其总数的90以上。311HEXPRESS快速、高自动化的网格生成HEXPRESS适用于任何复杂二维和三维计算域的网格生成，在网格的生成过程中不需生成表面网格，它以各几何面为基元，用户只需直接指定各几何面附近网格的目标尺寸，网格的生成过程由程序自动完成，因此需要控制的网格分布参数远远低于传统的以几何边为基元网格生成方法。图2网格生成过程HEXPRESS采用与众不同的由体到面的方式，将复杂计算域的网格生成简化为以下几步（如图2示）第一步导入几何模型实际物体外形可由专业CAD软件生成，再以STL或PARASOLID等格式导入HEXPRESS；NUMECABEIJING5第二步生成初始网格将计算域外部边界围成的区域均匀划分初始网格；第三步网格适应按曲率、间隙、目标网格单元尺寸等准则在需加密的地方自动细化网格，并删除所有与计算域边界相交和位于计算域外的网格单元；第四步吸附和优化将适应后的网格投影到模型外形上，并自动吸附到所有的角点和棱边，生成贴体网格，并优化网格质量；第五步插入边界层网格将紧邻物面的一层网格进行拆分细化成若干层网格，快速生成边界层网格。在上述操作中，用户只需要在第2、3、5步设置适当的参数，就能对任意复杂计算域快速生成高质量的全六面体非结构网格。312HEXPRESS生成网格实例Z游轮模型的网格网格数量600万。普通的PC机上运行HEXPRESS，内存8G。总共用时4小时。NUMECABEIJING6图3游轮模型及局部的表面网格32界面捕捉法处理自由表面自由液面的捕捉精度直接关系到兴波阻力的预测及船体耐波性的模拟，其模拟应在保证高分辨率的同时具有高的数值稳定性。FINE/MARINE在自由液面的处理上具有以下优势相比自由表面跟踪法，软件所采用的自由表面捕捉法具有更大的灵活性和适应性；可轻松处理如破碎波等复杂的自由表面；采用可压缩性的BICS、BRICS离散格式，极大的减小自由液面的数值耗散问题，可以准确的模拟船行波及海面的波浪效应；专有的自由液面网格自适应准则，将根据设定的网格自适应条件，只在自由液面附近自适应网格，既实现自由液面的精确捕捉，也无需较大的计算量；时间分裂法，是针对自由液面的运动方程在全局时间步长上进行时间步长的分割，分割后的较小时间步长满足了自由液面高精度的捕捉，而较大的全局时间步长又可以节省计算量，也是实现自由液面的捕捉精度的同时节省了CPU时间有力保障。如图4给出了某集装箱船舶的自由液面模拟结果。图4自由面兴波的集装箱船舶绕流模拟（左）及纵向波高分布（右）NUMECABEIJING733STOKES数值波浪模型在软件中内置了STOKES数值波浪模型，工程师只需给定波高、周期即可方便地进行船舶在风浪作用下产生摇荡运动以及砰击、上浪等现象模拟，评估船舶的耐波性；并且可以根据模拟波形的精确度需求来选择模拟的波浪阶数；使得工程师对波浪效应的模拟简便、快捷。如图6给出了DTMB5415船膜顶浪运动的自由液面及波浪等高线模拟结果。图5DTMB5415船模顶浪运动的波浪特性模拟结果346DOF运动采用动网格刚性变形结合加权变形，以及滑移网格约束，可方便地处理船体直行、回转、升沉、纵倾等多自由度的运动，也可以根据工程上的具体需求来设定船体的运动规律。如图6给出了DTMB5415船模顶浪运动的沉降和纵倾变化的模拟结果。图6DTMB5415船模的纵倾和沉降随时间的变化的模拟结果NUMECABEIJING835船桨耦合在船的航行过程中，螺旋桨和船体为一体系，船体所形成的速度场和螺旋桨所形成的速度场之间存在相互作用，这种相互作用使得船桨耦合流场极其复杂，目前，一般都是单独研究螺旋桨的水动力特性，以及单独船体在水中航行所遭受的阻力及动力特性。NUMECA与相关的企业公司进行合作，开发了FINE/MARINE对船桨耦合的复杂问题的处理模块，在该模块中引入了桨盘理论进行简化来解决船桨耦合问题；采用势流程序计算螺旋桨流场特性，进而粘流势流计算耦合，或采用滑动界面和重叠区域法进行流场计算，从而实现了船桨耦合模拟处理；在耦合模拟过程中，可以通过粘性流场对船体阻力的预测，在相应的时间步长上更新螺旋桨的推力。图7某船桨耦合模拟的局部网格及压力分布图36弹性锚定对于锚定以后的船体周围的流场特性、锚定链的影响，以及锚定后船体的抗浪特性模拟，可以采用FINE/MARINE的MOORING模块来设定；只需要给定锚定链定位、刚度及预应力，就可以方便的来模拟船体锚定以后的流场特性。如图8给出了某LNG运输船的锚定后的抗浪特性模拟。图8LNG运输船锚定后的抗浪特性模拟NUMECABEIJING937丰富的湍流模型FINE/MARINE求解器ISISCFD具有丰富的湍流模型，包括SPALARTALLMARAS模型、WILCOXKW模型、SSTKW模型、雷诺应力模型、EASMKW模型等。同时为了进一步提高湍流模拟的精度，FINE/MARINE还为湍流模型提供了壁面函数及旋转修正。其中显式代数应力EASM模型是一种比线性涡粘模型LEVM更高级的非线性构成模型。这类构成模型用平均速度梯度、平均应变率和旋转应变率张量，给出了更高级的湍流剪应力表达式。通过把EASM构成模型和K两方程模型耦合到一起，得到一种更高级的EASMK两方程湍流模型。采用这种非线性的构成模型后,可以极大地拓展湍流模型的应用范围，提高数值计算精度。特别是在计算摩擦阻力时精确性与准确性由了很大改善，此种湍流模型考虑了湍流各向异性的影响，可以部分地克服线性涡粘模型的固有缺陷，因而更接近于物理实际。如911给出了采用KWSST与EASMK湍流模型的模拟结果与试验的比较。图9ACCKEEL轴向涡分布实验图10ACCK轴向涡分布（KWSST模型NUMECABEIJING10图11ACCK轴向涡分布EASM模型四、NUMECA其它产品介绍NUMECA国际策略已经成功转向高度用户化CFD软件工具，为各行各业研发提供的实用、方便、功能强大的高精度CFD专业软件平台，主要由流体动力学分析软件和优化设计软件两大类组成。除了水动力学分析软件包FINE/MARINE外，还包括针对旋转机械行业的结构网格分析软件包FINE/TURBO，包括结构化网格生成器IGG/AUTOGRID、全二阶精度结构化块网格求解器EURANUS，流场显示器CFVIEW。基于密度的全可压缩三维雷诺平均NS方程，可求解任何低速/亚音/跨音/高超音速的定常/非定常流动。其丰富的湍流模型、先进的预处理方法、强化隐式加速收敛技术及与流固耦合分析技术，不仅保证了软件计算的准确性、精确性及快速性，也极大地拓宽了软件的应用领域，是全球旋转机械行业用户的首选软件。通用的非结构网格分析软件包FINE/HEXA，高度自动化的非结构网格生成软件HEXPRESS；基于全六面体非结构网格的流场求解器HEXSTREAM；流场显示器CFVIEW。FINE/HEXA软件通过求解基于密度的全可压缩三维雷诺平均NS方程来模拟流场，广泛用于各种低速、亚音速、跨音速、超音速及高超音速流动的模拟。该软件拥有先进的前后处理模块、丰富的湍流模型、先进的AGGLOMERATION全多重网格加速技术及CPUBOOSTER强化隐式加速收敛技术等创新性技术，使其在行业内具有明显的优势。流固耦合分析软件FINE/FSIOOFELIE，该软件是NUMECA公司与欧洲著名的专注于多NUMECABEIJING11物理场分析的OPENENGINEERING公司合作开发的流固耦合软件。该软件融合FINE/HEXA与OOFELIE实现多场强耦合，是第一个高效的、最优的多物理场仿真完全嵌入式系统。旋转机械优化设计一体化平台FINE/DESIGN3D是NUMECA公司独有的针对旋转机械行业的全三维优化设计平台，根源于NUMECA公司深厚的叶轮机械专业背景和强大的创新能力，是目前唯一将参数化叶轮建模技术、现代优化理论（基因遗传算法、人工神经网络、试验设计方法）和三维流场分析技术集成应用的优化设计平台，用户可应用此平台完成高效、高可靠性的创新性设计。三维叶轮参数化建模软件AUTOBLADE，源自NUMECA公司深厚的叶轮机械专业背景。用于轴流/离心/向心/混流旋转机械设计，广泛应用于压气机、涡轮、风机、汽轮机、水轮机、泵、扩压器、风力机和水下推进器等旋转机械造型设计。NUMECA软件包组成如图12所示。NUMECABEIJING12图12NUMECA软件包的组成NUMECA系列软件IGGAUTOGRIDCFVIEWEURANUSFINE/DESIGN3DAUTOBLADEAUTOBLADEFITTINGCFD_WIZARDCFD_WIZARDDATABASEOPTIMIZERFINE/TURBOFINE/HEXAHEXPRESSHEXSTREAMCFVIEW结构化网格分析软件FINE/MARI