潜艇Suboff水动力大涡模拟

2025-02-14

 

 

 

 

 

DIMAXER革命性高解析度工业软件

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在船舶与海洋工程领域,无论是水面舰船还是水下航行器,其黏性绕流场都是高雷诺数壁面湍流问题(特征雷诺数通常大于10⁶。对如此高雷诺数的工程级别湍流问题进行解析尺度的高置信度(high-fidelity)模拟,是当前CFD界面临的挑战之一。
DARPA SUBOFF 是国际公认的标准潜艇水动力计算模型,拥有大量模型水池试验和水动力数值计算结果。本算例基于DIMAXER软件对DARPA SUBOFF光体模型进行高精度大涡模拟。
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几何模型

 

 

 

SUBOFF 光体模型是轴对称的回转体几何构型,由前体、平行中体和后体组成。艇长为 4.356m,艇身最大宽度(平行中体处)为 0.508m,来流速度为3.05m/s,相应特征雷诺数为REL = 1.2 ×107

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SUBOFF光体模型

网格生成

 

 

 

基于DIMAXER软件重叠网格生成方案,包括近壁区的贴体结构网格和背景区的笛卡尔网格。

计算模型采用半模计算,网格数量为195万,壁面法向第一层网格高度为0.0005m,根据第一层网格计算得到的y+约为24,网格的展弦比(Aspect Ratio)最高为60。

计算域网格划分情况以及近壁面网格细节如下图所示:

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近壁面网格及局部细节

计算设置

 

 

 

基于DIMAXER软件不可压缩4阶精度求解器进行壁面解析的大涡模拟,自由度(求解点)约为1.2亿,基于4阶求解点计算的y+约为6,折合2阶有限体积法(FVM)的y+约为1.5。

计算时长:3张Nvidia GeForce RTX 4090D GPU卡,计算物理时间达到4.5s,计算完成需约120小时。

 

水动力计算结果

 

 

 

基于DIMAXER软件计算得到的模型阻力时历结果如下图所示,可以看到:在计算物理时间达到1.5s后,阻力曲线变化已基本稳定。在稳定段进行时间平均得到的阻力值为86.8N,与参考实验值87.4N的偏差小于1%。

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阻力结果时历曲线(已对半模结果X2)

对稳定段的流场结果进行时均处理后,选取艇体中纵剖面上的壁面网格点进行采样,得到压力系数分布曲线和摩擦阻力分布曲线。

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可以看到:压力系数分布曲线与参考实验结果吻合良好,对于艏部和艉部表面涉及流动分离区域的压力均能准确求解。摩擦阻力系数在艇艉x/L=0.8附近存在一些偏差,但整体吻合良好。

进一步分析艇体艉部区域流场,选取典型流向位置(x/L=0.904, 0.927, 0.956, 0.978)的流向、径向速度沿径向分布进行分析。

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艇艉区域典型流向位置的速度分布(x/L=0.904, 0.927, 0.956, 0.978)

与参考实验结果基本吻合,说明DIMAXER软件对于艉部近壁面区域的速度场具有较高的求解精度。

中剖面上的速度场和Vorticity涡量场瞬时变化情况如下图所示:

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可以看到,DIMAXER软件对于艇体壁面的流动分离细节有较好的解析,对于分离后的漩涡也有高分辨率的解析能力。

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