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1、FLUENT在水下应用中的技术优势北京海基科技有限责任公司1. 水下项目的主要技术挑战32. FLUENT软件在水下问题的技术优势32.1 水下问题对CFD软件的需求32.2 FLUENT软件在水下问题的技术优势32.2.1 FLUENT软件先进的网格技术32.2.2 FLUENT软件中先进的求解技术42.2.2.1 压力基求解方法42.2.2.2 压力基的耦合求解器52.2.2.3密度基求解方法52.2.3 FLUENT软件中博采众长的物理模型52.2.3.1 FLUENT中的动网格模型52.2.3.2 FLUENT软件中的六自由度模型62.2.3.3 FLUENT中混合分数多相流模型和气蚀
2、模型62.2.3.4 FLUENT软件中丰富的自由表面模型62.2.3.5 FLUENT软件中丰富的辐射传热模型62.2.3.6 FLUENT软件中的噪声模型72.2.3.7 FLUENT软件中的离散相模型72.2.3.8 FLUENT软件中的欧拉多相流模型73FLUENT、CFX、FASTRAN 软件的比较83.1前处理器比较83.2求解器比较84.FLUENT在水下应用算例104.1 潜艇入坞模拟104.2 水力推进器空泡模拟104.3 翼型空泡模拟114.4 弹头入水模拟114.5 三维弹体动态空泡模拟121.水下项目的主要技术挑战由于浩瀚的海洋占据地球表面的绝大部分，辽阔的水域提供极好
3、的隐蔽性，并且可以活 动的空间巨大，水下武器或从水下发射的武器一直是各国军方研究的重点装备。但水下装备 的开发和使用相对复杂，因此，目前采用现代CFD技术模拟水下装备就变得非常重要，但 在模拟水下问题时通常会遇到以下技术挑战。空泡模拟：当水下装备告诉运动时，会产生空泡，由于两相间的传热、传质、以及两相 间密度达100倍的差距，导致空泡模拟的稳定性、收敛性变差，因此空泡模拟一直是CFD 模拟的一个相对困难得问题。人工加气空泡：一般而言，空泡会改变弹体在水下的受力，可能使弹体运动的稳定性、 以及运动的可控性变差，但如果设计合适，可以有效的利用空泡，来降低阻力，如人工加气 可以诱发空泡的形成。模拟人
4、工加气空泡是一个三相流问题，因此比单纯模拟空泡问题更为 复杂。姿态连续变化的模拟：弹体在水下运动过程中其姿态不断变化，姿态的变化会引起空泡 形态的变化。在CFD技术中通常采用动网格技术来模拟姿态的变化。而且在模拟空泡时必 须同时考虑姿态变化。这会使模拟变得更为复杂。2. FLUENT软件在水下问题的技术优势2.1水下问题对CFD软件的需求水下问题的数值模拟分析有其典型的特征：几何结构繁琐、物理过程复杂。因此对现有 的商业CFD软件提出了挑战，由于实际的弹体结构形状复杂，如果做出过多的几何简化将 使分析结果失真；同时，模拟过程包含空化、相变、多相流动、流体与结构的耦合等复杂的 物理过程。因此，它
5、要求CFD软件具有专门针对水下问题的物理模型。2.2 FLUENT软件在水下问题的技术优势FLUENT软件是顶级的CFD软件，它的前处理器GAMBIT简单易用，而且可以处理及 其复杂的几何结构，因此可以满足水下问题对前处理的特殊需求；它的求解器包含及其丰富 的物理模型，可以模拟水下问题复杂的物理过程。2.2.1 FLUENT软件先进的网格技术Fluent公司在其强大的财力与研发投入下，非结构化网格能力远远领先其竞争对手。GAMBIT能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格，有数十 种网格生成方法，包括Cooper、Tetrahedral Mesh、Stair-Step等。
6、GAMBIT提供了对复杂的 几何形体生成附面层内网格的重要功能，而且附面层内的贴体网格能很好地与主流区域的网 格自动衔接，大大提高了网格的质量。另外，GAMBIT能自动将四面体、六面体、三角柱 和金字塔形网格自动混合起来，这对复杂几何外形来说尤为重要。FLUENT的网格技术具 有以下优势： 丰富的几何接口： GAMBIT 可以导入 PRO/E、UG、CATIA、ACIS、IGES、STEP 等标 准格式的几何数据，这样就可以直接读入在CAD软件中的几何模型，而不需要重新建 模。 浮动容差功能：当GAMBIT导入外部几何时，GAMBIT会对几何的不同部位采用不同 的容差，从而避免了几何导入误差。
7、 几何自动修复和缺陷自动定位能力：GAMBIT软件特有的几何模型诊断功能，可以以 不同颜色来显示几何的连接状态，用户据此可以非常容易找到几何缺陷。GAMBIT的 自动几何修复功能基于FLUENT独有的虚几何技术，自动找到几何缺陷并加以修正， 这种修正并不改变几何的真实形状，从而保证了几何的精度。这是FLUENT独有的几 何处理技术。 六面体核心网格技术：六面体核心网格技术是GAMBIT自动的在形状复杂的几何表面 采用非结构化的四面体网格，在流体的中间采用结构化的六面体网格，二者之间采用金 字塔网格过渡，六面体核心网格技术集成了非结构化网格几何适应能力强以及结构化网 格数量少的优点，这是FLUE
8、NT独有的网格技术。 多面体网格技术：在新版本的FLUENT软件中它的求解器支持六面体网格，在FLUENT 软件中包含一个网格自动转换开关，可以自动的把四面体网格转换为多面体网格。我们 知道有限体积法的计算量主要由网格数量决定，在节点总数(几何分辨率)不变的情况 下，多面体网格量只有四面体网格的1/3至U 1/5,因而将极大地降低解算时间。这是 FLUENT特有的网格处理技术。 网格自适应技术：FLUENT采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过 来调整和优化网格，从而使得计算结果更加准确。这是目前在CFD技术中提高计算精 度的最重要的技术之一。尤其对于有波系干扰、分离等复杂物理现象
9、的流动问题，采用 自适应技术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，大大提高计算精度。2.2.2 FLUENT软件中先进的求解技术FLUENT软件对于高速可压流动和低速不可压流动采用适用性不同的核心算法，且集成 在同一界面下，对不同的流动状况都拥有很好的收敛性、稳定性、精度。2.2.2.1压力基求解方法这种方法求解压力方程和动量方程。其适用范围是低速不可压流动。压力基方法的鼻祖 是SIMPLE法，将压力方程和动量方程分别求解，然后进行压力修正。这种方法对于低速问 题稳定性好，收敛速度快，在CFD领域有着广泛的应用。后人对SIMPLE法进行了很多改进， 提高其精度和收敛速度。如 SIMPLE C
10、 ( FLUENT Segregated ) 和 PISO (FLUENT Segregated)。扩大了压力基算法的解题范围。2.2.2.2压力基的耦合求解器压力基的耦合求解是FLUENT6.3的一个新功能，它是FLUENT对传统压力基的算法的 一个重大改进，使得压力基的算法可以求解跨音速、超音速问题，极大地扩展了压力基的解 算能力，同时还具有传统压力算法物理模型丰富的优点，可以和所有动网格、多相流、燃烧 和化学反应模型兼容，同时的收敛速度远远高于密度基的求解器。22.2.3密度基求解方法密度基的方法就是直接求解非定常N-S方程（非定常N-S方程是理论上绝对稳定的）， 将定常问题转化为时间推
11、进的非定常问题，由给定的初场时间推进到收敛的定常解，这就是 我们通常说的时间推进法（密度基求解方法）。这种方法适用于求解高亚音，超跨音等流场 的强可压缩流问题，且易于改为非定常求解器。2.2.3 FLUENT软件中博采众长的物理模型FLUENT软件中包含丰富的物理模型：如燃烧与化学反应、多相流、电磁流体模型、 凝固熔化模型、旋转机械、动网格等，因此它可以精确模拟水下问题的复杂流动。2.2.3.1 FLUENT中的动网格模型动网格技术是新一代CFD技术新的竞争焦点，FLUENT软件在其6.1版就推出了动网 格技术，网格的重新生成完全由求解器控制，不需要用户干预。Fluent提供三种网格重新生成方
12、式： Spring analogy （弹簧式）-适合小变形 Dynamic layering （动态层铺）-适合规则变形 Local remeshing （局部网格重构）-适合大变形 三种运动方式可以任意组合 如一个区可以同时采用两种运动方式如网格重新划分和弹簧压缩式； 可以多个区域同时运动，每个区域具有不同的运动规律动网格的核心技术就是网格重新生成，FLUENT软件是唯一支持三种网格生成技术的 商业CFD软件，在同一个问题中可以同时使用三种方法，可以模拟阀的打开合闭合过程。动网格在水下问题的典型应用包括：机弹分离；座椅弹射武器入水、出水过程2.2.3.2 FLUENT软件中的六自由度模型FU
13、ENT6.2中增加了专门针对投放问题六自由度运动模型，可以快速、准确地计算投放 等多体分离问题，主要优点是：-气动力自动计算，不需要通过UDF来积分气动力-可以自动包含重力-可以自动包含附加外力，附加外力可以是时间和位置的函数利用六自由度模型可以模拟：-机弹分离模拟-舵面偏转研究-座椅弹射- 武器入水、出水过程2.233 FLUENT中混合分数多相流模型和气蚀模型FLUENT软件中的混合分数模型可以模拟相互贯通的两相之间的混合和流动，空泡模 型是混合分数模型的子模型，利用气蚀模型可以模拟弹体在水下航行时的空泡。2.005+00 1.84 &4-00 1,68e+00 1.526+00 r 1.
14、36e+00 I I 1 .20 6+001.046+00 8.80&-01 7.2QB-01 5.60 &-01 4.00 e-01 2.40&-01 r S.OQe-02 -S.OOe-02 I -2.40&-01 I -4.00e-01 I -5.60e-01 I -7.2Q&-01 I -8.80 e-01 -1.04e+00 -1.20&+00 -1.36e+00I -1.52e+00 ，-1.6Se+00 -1.84e+00 . -2.00&+002.2.3.4 FLUENT软件中丰富的自由表面模型FLUENT软件中的自由表面模型，包含丰富的几何重构格式，可以精确追踪互不相容 的流
15、体之间的自由界面，在航空工业领域，它可以用来模拟： 武器入水和出水过程 油箱晃动 飞机在水面飞行、起飞223.5 FLUENT软件中丰富的辐射传热模型在FLUENT软件中包含丰富的辐射模型，它们是：Rosseland、P1、DTRM、S2S、DO 五种辐射模型，与FLUENT软件中的的基本方程相结合，可模拟及其复杂的传热过程，可以模拟流体流动、热传导及热辐射。由于辐射是一种基本的传热方式，在所有的冷却和加热问题如果相对温差较大，辐射 都会扮演重要角色，几乎在所有的冶金工业过程都涉及到辐射问题，因此在这里就不在罗列 辐射问题的算例。除了这些基本辐射模型之外，在FLUENT软件之中还包含一个太阳辐射模型，该模型 除了可以极为方便的模拟太阳辐射模型意以外，还可以模拟其它与此类似的所有有源辐射问 题，据我们所知，截至目前为止，FLUENT软件是唯一具有专门太阳辐射模型的软件。2.2.3.6 FLUENT软件中的噪声模型FLUENT软件中包含四个噪声模型，可以精确的模拟流致噪声问题。 Ffowcs-Williams & Hawkings噪声模型：在利用FLUENT获得一个时变压力场后，启动F-W-H模型，FLUENT软件中的噪声模型自动扑获压力
