VPLP 设计:利用先进的 CFD 仿真技术革新水翼设计


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VPLP 设计:利用先进的 CFD 仿真技术革新水翼设计的图1

自上两届美洲杯帆船赛以来,水翼艇释放了帆船的速度,并且专门采用 CFD 设计。法国公司 VPLP Design 处于水翼艇概念的前沿,并与 Alex Thomson Racing 和 Charal Sailing Team 合作开发了上一代 IMOCA,设计出可以真正飞越海洋的高效帆船。在他们的所有目标中,VPLP 必须根据所需升力的角度和吃水深度确定水翼的正确位置。这个目标传统上需要每个速度运行六到八次模拟,直到Fine Marine为 VPLP 提供了一种新的创新方法,将这个工作流程减少到一个单一的模拟,同时考虑更多的物理。

方法

能够在一次计算中找到水翼的最佳位置意味着目标升力应该成为模拟的输入。CFD 代码应自动找到动态平衡位置并同时达到所需的升力。为了实现这一目标,Fine Marine 中开发了一项新功能,现在可作为专用于水翼的准静态方法使用:流量求解器根据目标升力以给定频率调整水翼倾角和偏航角。求解器的后续预测逐步且快速地确定动态平衡:通常在大约 1-2 秒的物理时间内达到稳定。

这种方法需要:

  1. Fine Marine 的重叠技术使水翼运动的自由度成为可能

  2. 高质量的体积网格,具有准确性和稳健性

 一种基于 Fidelity Automesh 的新型网格生成方法

提议的方法是从遵循水翼形状的初始弯曲块启动 NUMECA 的全六边形非结构化网格生成器Fidelity Automesh(以前称为 Hexpress)(见图 2)。这确保了水翼表面和域边界处的高质量网格。

VPLP 设计:利用先进的 CFD 仿真技术革新水翼设计的图2

图 1:水翼艇尾流的 3D 表示

VPLP 设计:利用先进的 CFD 仿真技术革新水翼设计的图3

图 2:箔片周围的弯曲区域

然后使用 Fidelity Automesh 执行网格细化和粘性层。图 3 和图 4 说明了表面上细胞的良好对齐。

VPLP 设计:利用先进的 CFD 仿真技术革新水翼设计的图4

图 3 和图 4:肩部(右)和箔前缘(左)上的表面网格

因此,这个水翼网格被放置在笛卡尔背景网格内,允许穿越虚拟海洋。这两个网格由于 Fine Marine 的重叠功能而连接,在水翼域的边界处相互通信流量数据。

此外,为了确保理想的插值,自适应网格细化技术仅在绝对必要的地方动态细化单元:在模拟期间的自由表面位置和重叠的网格边界处。因此,与应该估计细化的等效静态网格相比,总网格大小减少了 800k 个单元。

VPLP 设计:利用先进的 CFD 仿真技术革新水翼设计的图5

图 5:网格的前视图(蓝色:背景,红色:水翼重叠)

VPLP 设计:利用先进的 CFD 仿真技术革新水翼设计的图6

图 6:动态自由表面细化的侧视图

流固耦合的重要性

由于水翼是帆船在飞行过程中唯一接触水面的部分,因此它们会承受高压,并且它们的结构会发生足以影响其性能的变形,即使这种变形会保持相对较小和线性。因此,可以使用模态方法,它只需要预先计算结构的振型。然后可以在 Fine Marine 内部完全解决完整的交互,而无需与 FEA 代码交互。由于箔的运动相对稳定,因此也可以使用一种新的更快的方法来求解结构变形:一种用于变形的准静态方法,就像它用于运动一样。额外的 CPU 成本仅为 20% 左右,但却能对设计决策带来重要影响。在这种情况下,例如,弯曲和扭转刚度影响动态平衡位置,因此影响水翼周围的流场。偏航角从 2.53 变为 3.40 度(见图 7),阻力从 8.741 变为 8.935N。

VPLP 设计:利用先进的 CFD 仿真技术革新水翼设计的图7图 7:比较模态“Modal_QS_UR”和非模态“Motion_QS”模拟的偏航角收敛

VPLP 设计:利用先进的 CFD 仿真技术革新水翼设计的图8

图 8:使用模态方法进行 Fine Marine 模拟期间的结构变形

结论与展望

VPLP 设法将其设计过程的仿真时间缩短了八分之一,同时评估了比以前更多的物理。借助 Cadence 专用于海洋流体动力学的软件,他们能够通过可靠、快速和稳健的过程研究大量的水翼变体。下一步,Cadence 的Fidelity Optimization优化解决方案具有粗略 DoE、不确定性量化和高级代理建模的强大功能,将允许在现实条件下优化下一代水翼。

文章来源:cadence博客

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