Моделирование влияния поверхностных текстур на сокращение тяги на морских судах с использованием Cfd в Ansys Fluent

Другие концепции текстуры включают микрополоски, ямочки и перекрывающиеся чешуйки. Ямочки, как видно на мячиках для гольфа, могут уменьшать сопротивление, способствуя турбулентному прикреплению и уменьшению размера будки. Однако для морских судов первичным применением остаются риблетообразные текстуры из-за их доказанной эффективности в турбулентных потоках.

Проблемы практического осуществления

Применение текстур поверхности в реальном мире сталкивается с несколькими препятствиями. Биопулирование быстро разрушает микроструктуры, поэтому антиобрастание покрытия должно быть совместимым. Ограничения производства, особенно для больших областей корпуса, требуют экономически эффективных методов, таких как распыленные полимеры, тисненные пленки или 3D-печатные панели. Также необходимо учитывать износ и разрыв от стыковки, очистки и воздействия льда. Моделирование CFD играет решающую роль в оценке не только потенциала уменьшения сопротивления, но и чувствительности к частичному покрытию, ошибкам выравнивания и деградации поверхности.

Настройка CFD-симуляции поверхностных текстур в ANSYS Fluent

Моделирование эффекта поверхностных текстур требует тщательного моделирования потока ближнего замыкания. Высокие числа Рейнольдса и небольшие шкалы текстур (обычно десятки микрометров) предъявляют противоречивые требования к сетке: домен должен захватывать общую форму корпуса (десятки метров) при решении геометрии текстуры. Эта многомасштабная задача требует передовых стратегий сетки и соответствующих моделей турбулентности.

Геометрия и настройка домена

Моделирование начинается с 3D CAD модели корпуса, который может быть полным корпусом, секцией (например, плоской пластиной с градиентом давления по потоку) или упрощенным корпусом, таким как секция NACA. Текстуры добавляются в качестве поверхностных признаков - для риблет это можно сделать, выдавливая рисунок канавки вдоль поверхности корпуса. Многие пользователи начинают с плоской пластины, чтобы изолировать эффект текстуры перед нанесением его на изогнутый корпус.

Вычислительная область обычно простирается на 5-10 длин корпуса вверх по течению, 10-15 длин вниз по течению и 5-7 длин по бокам и вершине. Плоскость симметрии используется, если позволяет геометрия. Для моделирования полного корпуса свободная поверхность часто моделируется как плоскость симметрии в однофазном моделировании или многофазная модель VOF (объем жидкости) используется для захвата волнообразования. Однако для исследований сокращения сопротивления, ориентированных на фрикционные эффекты, однофазный поток с полностью погруженным корпусом приемлем в качестве первого приближения.

Сетка для резолированных текстур

Точная захват потока в риблетовых канавках требует сетки с y + порядка 1 на текстурированной стенке. Если расстояние между риблетами s составляет, скажем, 100 мкм, по меньшей мере 10-20 клеток должны охватывать поперечное сечение канавки. Это приводит к чрезвычайно высокому количеству клеток при нанесении на полный корпус. Общий подход заключается в моделировании небольшого пятна (например, 10 см × 10 см площадь) и измерении трения кожи непосредственно, то экстраполировать. Для полного моделирования корпуса подход функции стенки в сочетании с модификацией шероховатости может моделировать эффект текстур без их разрешения - но это жертвует точностью геометрических деталей. ANSYS Fluent усиленная обработка стенок с k-ω SST модель турбулентности рекомендуется для разрешенных текстур.

Сетчатая генерация должна включать в себя структурированную пограничную сетку (инфляционные слои) с скоростью роста 1,2 и 20–30 слоев для захвата вязкого подслоя. Первая высота ячейки рассчитывается для достижения y+ ~ 1 при самом высоком локальном числе Рейнольдса. Сами риблетовые канавки могут быть сшиты структурированной или гибридной сеткой; хорошо работает нанесённая на карту сетка на поперечном сечении риблет. Неструктурированные тетраэдрические ячейки заполняют внешний домен.

Выбор модели турбулентности

Для настенных потоков с текстурами поверхности модель сдвига напряжения (SST) k-ω широко считается лучшим выбором. Она сочетает в себе прочность k-ω вблизи стены с k-ε далеко, и она эффективно захватывает разделение и неблагоприятные градиенты давления. Модель перехода SST (γ-Re _]θ ] может использоваться, если ожидается реламинаризация или переход, хотя для полностью турбулентных потоков стандартная SST достаточна. Большая симуляция Эдди (LES) или отдельная симуляция Эдди (DES) обеспечивают более высокую точность, но при гораздо более высокой вычислительной стоимости - обычно зарезервирована для исследований фундаментальных механизмов уменьшения сопротивления.

Условия и настройки Solver

Граница входа устанавливается как вход скорости со скоростью корабля и низкой интенсивностью турбулентности (1%-5%). Выход — выход давления при нулевом калибровочном давлении. Поверхность корпуса — безскальзые стенки. Верх и бока могут быть симметричными или стенками скольжения. Для многофазного моделирования определяется высота волны и направление. В ANSYS Fluent растворитель использует схему сопряженной скорости давления с дискретизацией по ветру второго порядка для уравнений импульса и турбулентности. Конвергенция контролируется через остаточные величины (снижение до 10^]-5 для непрерывности и импульса) и коэффициенты силы (устойчивые в пределах 0,1% при 200 итерациях).

Пример: сокращение риблета на плоской пластине

Для иллюстрации методологии рассмотрим плоскую пластину с нулевым градиентом давления при номере Рейнольдса 5 × 10⁷ (типично для пограничного слоя корабля в середине корпуса).Сравнены два случая: гладкая пластина и пластина с симметричными V-гравными риблетами (s⁺ = 15, h⁺ = 10).Симуляция выполняется в ANSYS Fluent с использованием SST k-ω с разрешёнными риблетами. Гладкая пластинчатая сетка имеет 2 миллиона ячеек; риблетная сетка требует 8 миллионов ячеек для разрешения канавок.

Результаты показывают, что пластина риблет уменьшает локальное трение кожи на 6,3% по сравнению с гладким исходным уровнем. Профили скорости показывают утолщенный вязкий подслой и снижение интенсивности турбулентности в буферном слое. Однако эффект риблет чувствителен к выравниванию потока: угол рыскания 2° снижает преимущество до 3%, а при 5° штраф за сопротивление превышает гладкую пластину. Это подчеркивает необходимость тщательной установки для обеспечения выравнивания по струйной струе на корпусе.

Когда это уменьшение сопротивления экстраполируется на типичный балкер с смоченной площадью 10 000 м2 и сопротивлением трению 1200 кН, снижение трения кожи на 6% приводит к общему уменьшению сопротивления примерно на 4% (с учетом форм и волновых компонентов). Это дает около 3% экономии топлива - существенно для судна, сжигающего 50 000 долларов топлива в день.

Преимущества и ограничения CFD для текстурных исследований

CFD предлагает возможность оценивать сотни конструкций текстур без построения физических моделей, ускоряя цикл оптимизации. Инженеры могут визуализировать особенности потока (вихрость, карты сдвига напряжения, турбулентные контуры кинетической энергии), которые невозможно измерить экспериментально в деталях. Параметрические и оптимизационные инструменты ANSYS Fluent (например, DesignXplorer) позволяют автоматизированное исследование высоты риблет, расстояния и формы.