空化現(xiàn)象（Cavitation）

現(xiàn)代船舶設(shè)計的嚴峻挑戰(zhàn)。

尤其在美洲杯、旺代環(huán)球帆船賽等頂尖賽事中，高速行駛的帆船對性能有著近乎苛刻的要求。此時，水翼和螺旋槳極易遭受空化的“侵蝕”：

輕則導致效率下降、產(chǎn)生昂貴的維修成本；

重則引發(fā)災(zāi)難性故障，威脅船員安全。

如何精準建模、模擬空化，并在設(shè)計階段就將其化解？今天，我們聊聊Fidelity Fine Marine 中的“黑科技”——AGR（Adaptive Grid Refinement，自適應(yīng)網(wǎng)格細化）。

DTC 螺旋槳 - Golf（2018）

空化建模與仿真

空化仿真的核心難點在于：它涉及復雜的“三相”轉(zhuǎn)換。除了液相（水）和自由液面，還引入了全新的汽相。最重要的是，空化流動是復雜的非定常流，正如下圖中所示——蒸汽空泡會從表面脫離。此外，空化仿真的技術(shù)約束使得仿真結(jié)果高度依賴于網(wǎng)格質(zhì)量。為精確捕捉空穴的細節(jié)特征，必須定義網(wǎng)格細化區(qū)域。這一過程非常耗時，且需要大量專業(yè)技能與知識儲備。

格勒諾布爾 LEGI 空化水洞。

Fine Marine 中的 AGR 技術(shù)

自適應(yīng)網(wǎng)格細化（AGR）技術(shù)廣泛應(yīng)用于多種仿真場景，如阻力與耐波性仿真、作動盤及實體螺旋槳自航仿真，以及水翼與螺旋槳周圍的通氣現(xiàn)象仿真。大量實踐證明，AGR 技術(shù)能有效提升計算精度并顯著縮短運算時間。Fine Marine 中的 AGR 功能極大簡化了此類應(yīng)用的設(shè)置流程。

AGR 的基礎(chǔ)概念

Fine Marine 中的 AGR 技術(shù)流程很簡潔。根據(jù)評估標準，對初始網(wǎng)格單元進行各向同性和各向異性網(wǎng)格細分。AGR 可以對自由液面處網(wǎng)格進行細化，以獲得所需的網(wǎng)格精細尺度。左側(cè)圖片顯示沒有經(jīng)過細化的自由液面網(wǎng)格，而右側(cè)圖片則顯示了經(jīng)過自動網(wǎng)格細化并達到合適網(wǎng)格尺寸的自由液面網(wǎng)格。

用 Fidelity Fine Marine 的 AGR 功能進行自由液面網(wǎng)格細化

調(diào)用 AGR 的運行機制

根據(jù)實際流場動態(tài)計算細化標準。

將標準數(shù)值轉(zhuǎn)化為各向同性/各向異性的網(wǎng)格細化、粗化，或不對網(wǎng)格進行任何調(diào)整。

在需要區(qū)域執(zhí)行網(wǎng)格粗化處理。

自動負載平衡確保多計算節(jié)點間的最佳健壯性和性能。

AGR 調(diào)用原理步驟。

AGR 的優(yōu)勢在于消耗的 CPU 資源相對較低。工程師可以頻繁調(diào)用 AGR，并能將其應(yīng)用于空化等高度非定常流特征仿真。

聯(lián)合準則

針對空化仿真，我們主要關(guān)注在兩個準則：多相界面和通量分量準則。

多相界面（MS）準則有助于捕捉兩相流（水與空氣或水與蒸汽）之間的自由液面或空化界面。通過設(shè)置目標網(wǎng)格大小，可輕松控制界面捕捉精度，從而獲得高精度的自由液面捕捉效果。

通量分量 Hessian（FCH）準則通過細化壓力場與速度場的二階導數(shù)矩陣，全面捕捉所有流動特征。通過準確捕捉壓力與速度，該準則能提供更高的流動求解精度?？刂七@一標準需要兩個參數(shù)：用于調(diào)節(jié)流動特征敏感度的閾值，以及用于設(shè)置最小單元尺寸以避免網(wǎng)格過度細化的限制器。

使用 MS-FCH 聯(lián)合準則進行網(wǎng)格自動細化。

多相界面和通量分量 Hessian 準則皆由軟件中的MS-FCH 選項提供。仿真過程是各項因素的綜合結(jié)果，包括控制靈敏度的 Hessian 閾值。工程師可以自由調(diào)整，在精確度、高靈敏度和相對局部仿真之間做出選擇。選取合適的參數(shù)值即可確定所需的仿真類型。網(wǎng)格可動態(tài)適應(yīng)流動，確保在任何時間和空間都能獲得最佳網(wǎng)格尺寸。CFD 工程師無需擔心如何改進網(wǎng)格細化以捕捉物理現(xiàn)象，聯(lián)合準則和閾值已經(jīng)涵蓋一切。它能自動捕捉自由液面、多相流界面和其它的重要流動特征。AGR 將徹底改變傳統(tǒng)的網(wǎng)格生成方式。

網(wǎng)格尺寸控制

修改 Hessian 閾值實現(xiàn)粗網(wǎng)格和細網(wǎng)格的切換

AGR 參數(shù)直接影響網(wǎng)格的細化程度。例如，在上面的二維水翼模型中，可以改變 Hessian 閾值，在相對粗糙的網(wǎng)格和非常精細的網(wǎng)格之間切換。工程師可以從一開始就選擇所需的精度級別。調(diào)整 Hessian 閾值的過程就如同執(zhí)行網(wǎng)格收斂性研究一樣方便。傳統(tǒng)網(wǎng)格收斂性研究需要創(chuàng)建從粗到細的多個網(wǎng)格，然后比較計算結(jié)果。但使用 AGR 功能，只需改變一個值，即可生成不同計算，無需重新劃分網(wǎng)格。通過網(wǎng)格自適應(yīng)（的變化）即可模擬網(wǎng)格收斂性研究的效果。

值得注意的是，用于仿真的理想網(wǎng)格不再需要事先準備，因為它本來就是仿真結(jié)果輸出的一部分。

AGR 對粘性層的積極影響

在生成理想網(wǎng)格時，創(chuàng)建粗網(wǎng)格有很多優(yōu)點。其一是便于在 Fidelity Hexpress 中插入所需的參數(shù)值，同時可利用膨脹技術(shù)進行微調(diào)，確保與遠場網(wǎng)格的平滑過渡。這種技術(shù)也保證了創(chuàng)建純六面體網(wǎng)格的可能性。

不過，粗網(wǎng)格也有一個缺點。如左圖所示，非常密集的面網(wǎng)格加密會壓縮粘性層，導致邊界層厚度減少。另一方面，右圖顯示的是為 AGR 生成的更粗的網(wǎng)格，邊界層的厚度要大得多。這種粗網(wǎng)格還能在粘性層內(nèi)創(chuàng)建大范圍區(qū)域，其中的單元格沿幾何表面方向排列。通過觀察右側(cè)的網(wǎng)格，我們已經(jīng)可以預(yù)知這樣生成的網(wǎng)格精度會更高。

高密度的面網(wǎng)格細化會壓縮粘性層厚度

粗網(wǎng)格創(chuàng)建

為了更好地理解 AGR 如何改變網(wǎng)格的生成方式，我們來看一個 3D 例子。這個實例中，我們不需要應(yīng)用體細化，因為 AGR 已經(jīng)可以做到這一點。這樣一來就無需進行細化，AGR 可以自動接管細化過程，從而生成經(jīng)濟高效的網(wǎng)格。左邊圖片顯示的是經(jīng)典網(wǎng)格，右邊圖片顯示的是被 AGR 粗化過的同一網(wǎng)格，可以證明 AGR 提供的網(wǎng)格非常健壯，可信度很高。

使用 AGR 實現(xiàn)從經(jīng)典網(wǎng)格到粗化網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換

總結(jié)

AGR 為 CFD 工程師提供了全新的工作流程，既簡化了網(wǎng)格劃分工作，又在單元數(shù)量與計算精度之間實現(xiàn)了很好的平衡。通過支持創(chuàng)建粗化網(wǎng)格并通過仿真獲得理想網(wǎng)格，AGR 可以輕松進行非定常情況下的網(wǎng)格收斂性研究。AGR 為實現(xiàn)更高的自動化水平鋪平了道路，無需太多的技能和專業(yè)知識即可實現(xiàn)很高的健壯性和可信度。