二维平底结构砰击载荷数值计算的不确定度分析

依照ITTC推荐规程,针对二维平底结构入水砰击最大压力系数的数值模拟结果,进行了CFD中的不确定度分析。数值计算中选取中间尺度的时间步长,验证不同粗细三套网格。然后进行了验证分析及确认分析,评估了对比误差和确认不确定度,确认过程全部完成。     

螺旋桨敞水曲线与流场的CFD不确定度分析

为分析计算流体力学方法预测螺旋桨水动力性能的可信度,针对螺旋桨敞水曲线与流场的数值模拟结果进行了CFD不确定度分析。数值计算采用5套网格,网格加细比为槡2。通过求解RANS方程计算的螺旋桨敞水曲线、叶切面压力与试验值吻合较好。在此基础上,对计算结果进行了验证与确认分析,设计工况敞水曲线与叶切面大部分区域压力系数的对比误差介于确认不确定区间内,结果得到确认。湍流模式对螺旋桨非设计工况与导边、随边流动的适应能力是局部参数没有得到确认的主要原因。     

基于正交试验方法的重叠网格技术不确定度研究

为研究重叠网格方法在背景网格和局部网格区域插值所引入的额外数值误差,本文结合正交试验方法和ITTC不确定度分析方法,对该数值误差、网格尺度、时间步长和湍流模型进行了多因子不确定度分析。数值计算工况采用L_9(3~4)正交表进行设计,考虑网格形式、网格尺度、时间步长和湍流模型四个因子,每个因子采用3个水平。不确定度分析结果表明,因子时间步长和网格尺度得到了验证和确认。正交试验方法中的方差分析表明,因子湍流模型和网格形式对数值模拟误差的影响相比于时间步长和网格尺度并不显著,即量级相当。     

船模阻力CFD结果的不确定度分析

针对船模阻力CFD数值模拟进行不确定度分析,验证和确认(VV)的过程,对比不同近壁面条件的不确定度分析的差异,参考ITTC推荐的相关规程,基于k-ε湍流模型,通过改变近壁面处Y~+值,并在不同的Y~+值下分别设置三套不同的网格密度,分析其不确定度。结果表明,Y~+值的选择对结果有显著影响,通过分析CFD计算结果的不确定度,有助于寻找提升计算结果精度的方法。     

船舶CFD模拟不确定度分析与评估新方法研究

比拟测量不确定度,视CFD模拟结果为随机变量,阐述了CFD模拟不确定度的定义、来源、分类和表示形式.基于正交试验设计和方差分析方法,提出了CFD不确定度分析中验证的内涵及实施流程;基于统计推断理论,提出了CFD不确定度评估中确认的标准及判断程序.应用Fluent软件及文中所建方法,针对阻力系数和伴流分数进行CFD模拟不确定度分析评估的实例计算,给出了对模拟结果有重要影响的计算因子和交互作用以及各类不确定度分量的大小,并指出就目前采用的CFD模拟技术而言,尽管其结果的分散性或不确定度数倍于物理试验,但其近似性或可信度已可接受.     

基于重新建模法的滑行艇阻力数值计算

针对采用重叠网格法对滑行艇阻力数值计算时,采用不同子域的方式会增加网格数量,且在2套网格交接位置通过插值实现数据交换会引入额外的误差,从而导致计算精度和计算效率不高的问题,引入动态边界实现的网格方法,即重新建模法。借助计算流体动力学(CFD)软件STARCCM+,分别采用2种网格方法对一模型尺度滑行艇进行数值模拟,通过对试验结果进行对比和不确定度分析,对数值方法进行确认和验证。在此基础上,采用重叠网格方法和重新建模法对不同航速滑行艇进行绕流场数值模拟。并进行阻力和航态数值结果对比。结果表明,与重叠网格方法相比,重新建模方法的计算精度和计算效率均所有提高。     

水面船形状因子的CFD计算研究

本文介绍了针对水面船形状因子开展的CFD计算研究.为解决计算域中船舶艏部和艉部附近存在的低正交性、高扭曲率的低质量网格对计算精度和稳定性产生不利影响的问题,在CFD求解器中引入了非正交修正和梯度限制器.针对KVLCC2、KCS和"育鹏"轮三种典型船型,开展水面船形状因子CFD计算研究,并对计算结果进行了不确定度分析.结果表明,形状因子CFD计算结果以较高水平通过了不确定度分析的验证和确认,说明求解器较好地解决了关键局部区域低质量网格带来的问题,能够以较高的精度计算水面船形状因子.     

小水线面双体船耐波性能CFD不确定度分析

基于ITTC推荐的CFD不确定度分析规程,开展基于RANS方程的小水线面双体船(SWATH)波浪中纵向运动计算结果的不确定度分析。分别验证计算模型的网格收敛性和时间步长的收敛性,发现相比于网格的疏密,该数值求解模型对于时间步长更为敏感。通过与试验数据进行对比,计算结果基本得到确认,并由此建立了顶浪规则波中SWATH船纵向运动数值计算结果的确认等级。在此基础上,进一步开展了该SWATH船在2个波高多个波长条件下的运动求解,计算结果均与试验结果吻合较好,说明所采用的数值计算模型对于求解SWATH船在波浪中的运动问题具有较好的适用性和可靠性。     

潜艇非稳态流场计算流体力学不确定度分析

依照ITTC推荐规程对美国DARPA潜艇模型SUBOFF光体在不考虑自由表面情况下的CFD计算进行不确定度分析。选取中间尺度的时间步长，验证中采用细、中、粗三套网格。在最精细的网格上进行不同时间步长的研究。最后对潜艇表面压力计算进行确认。     

船模阻力数值水池试验不确定度评估

文章针对水面船模阻力数值水池试验,开展了不确定度分析与评估研究。不确定度分析中,验证方法和流程基于正交设计和方差分析方法,确认方法和流程基于统计推断理论。以水面船标模DTMB5415为对象,进行了船模阻力数值水池试验不确定度分析评估的实例计算,给出了对数值试验结果有重要影响的试验因素和交互作用以及各类不确定度分量的大小,并提出了降低船模阻力数值试验不确定度的建议。     

Assessment of uncertainty in the CFD simulation of the wave-induced loads on a vertical cylinder

The paper addresses different uncertainty analysis methods commonly used for uncertainty quantification in Computational Fluid Dynamics (CFD) studies and compares a constant Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) number based approach for uncertainty estimation to the ITTC recommended grid and time-independent procedures. Four different uncertainty estimation procedures are presented and discussed. To compare their performance and better understand CFD related uncertainty quantification in wave load simulations on offshore structures, the methods are applied to a case study of the wave loads on a fixed vertical cylinder. The numerical or CFD wave tank is generated using the open-source CFD toolkit OpenFOAM. Uncertainty is assessed for the case study using four different uncertainty estimation procedures for verification and later, validation is attempted by comparing the CFD results with experiments. The study concludes that a constant CFL number based uncertainty study provides more stable results and is better suited for uncertainty estimation in CFD than the ITTC recommended individual grid and time step uncertainty study.     

Computational fluid dynamics-based multiobjective optimization of a surface combatant using a global optimization method

The main objective of this article is to describe the development of two advanced multiobjective optimization methods based on derivative-free techniques and complex computational fluid dynamics (CFD) analysis. Alternatives for the geometry and mesh manipulation techniques are also described. Emphasis is on advanced strategies for the use of computer resource-intensive CFD solvers in the optimization process: indeed, two up-to-date free surface-fitting Reynolds-averaged Navier-Stokes equation solvers are used as analysis tools for the evaluation of the objective function and functional constraints. The two optimization methods are realized and demonstrated on a real design problem: the optimization of the entire hull form of a surface combatant, the David Taylor Model Basin—Model 5415. Realistic functional and geometrical constraints for preventing unfeasible results and to get a final meaningful design are enforced and discussed. Finally, a recently proposed verification and validation methodology is applied to assess uncertainties and errors in simulation-based optimization, based on the differences between the numerically predicted improvement of the objective function and the actual improvement measured in a dedicated experimental campaign. The optimized model demonstrates improved characteristics beyond the numerical and experimental uncertainty, confirming the validity of the simulation-based design frameworks.     

浅水中低速斜航船舶水动力预报及验证与确认分析

浅水中的斜航船舶受到浅水阻塞效应和不对称流的综合影响。为预报该运动中的船舶水动力,文章采用基于定常雷诺平均纳维—斯托克斯方程的计算流体动力学方法,对浅水中做斜航运动的船舶粘性绕流场进行数值模拟。考虑低航速运动的特点,忽略航速影响下的自由面兴波,由数值计算得到水动力系数在漂角影响下的变化规律。针对计算精度问题,在数值模拟中从验证和确认角度分析和评估计算结果：通过网格收敛性分析分析数值误差与不确定度;结合试验数据考察计算模型的误差。此外,从计算区域尺度、湍流模型、边界条件、船体下沉和纵倾作用方面对模型误差的影响因素进行探讨,可为改进计算模型、提高数值模拟精度提供参考依据。     

Uncertainty quantification of Delft catamaran resistance,sinkage and trim for variable Froude number and geometry using metamodels,quadrature and Karhunen–Loève expansion

A framework for assessing convergence and validation of non-intrusive uncertainty quantification (UQ) methods is studied and applied to a complex industrial problem in ship design, namely the high-speed Delft Catamaran advancing in calm water, with variable Froude number and geometry. Relationship between UQ studies and deterministic verification and validation is discussed. Computations are performed using high- (URANS) and low- (potential flow) fidelity simulations. Froude number has expected value and standard deviation equal to 0.5 and 0.05, respectively, on a truncated normal distribution. Geometric uncertainty is related to the research space of a simulation-based design optimization, and assessed through the Karhunen–Loève expansion (KLE). Monte Carlo method with Latin hypercube sampling (MC-LHS) is used to compute expected value, standard deviation, distribution and uncertainty intervals for resistance, sinkage and trim. MC-LHS with CFD is used as a benchmark for validating less costly UQ methods, including MC-LHS with metamodels and standard quadrature formulas. Gaussian quadrature is found the most efficient method; however, MC-LHS with metamodels is preferred since provides with confidence intervals and distributions in a straightforward way and at reasonably small computational cost. UQ results are compared to earlier deterministic single- and multi-objective optimization; reduced-dimensional KLE studies for geometric variability indicate that stochastic optimization would not be of great benefit for the present problem.     

带前置预旋导轮的螺旋桨空泡脉动压力数值模拟研究

本文基于非定常粘性RANS方法结合Schnerr-Sauer空泡模型,建立了船后螺旋桨空泡脉动压力数值预报方法,并开展了数值方法的不确定度分析;然后采用ITTC'78自航预报规程结合CFD方法预报了带前置预旋导轮的节能效果,开展了安装节能导轮后的螺旋桨空泡脉动压力预报研究;对比分析了有无节能装置时的螺旋桨叶表面空泡形态及1阶和2阶船体脉动压力.研究表明,在本实例中安装节能装置后的1阶和2阶脉动压力分别下降了33％和20％,而桨叶表面空泡面积也有所下降.     

螺旋桨水动力性能CFD预报中预处理的程式化实现

以DTMB4383大侧斜桨为例,立足于桨叶真实叶尖几何,详细阐述了螺旋桨水动力性能CFD计算过程中的桨叶几何和单通道域几何建模及其六面体结构化网格划分的程式化实现过程。程式化生成网格的适用性由DTMB4119桨、NSRDC4381和4383桨的无空化和空化水动力性能预报给予了验证。生成网格时考虑了网格类型、拓扑结构、网格密度和节点空间分布规律对计算精度的影响,可生成性能优越的命令流样本,保证CFD预报的精度。通过对命令行的编译操作,可以实现螺旋桨六面体网格高质量划分的快速操作,缩短CFD计算的预处理时间,扩大其工程应用。     

船舶CFD不确定度分析方法述评

船舶CFD技术已越来越显示其"数值水池"的巨大潜力和广阔前景;CFD的不确定度分析也就成为"数值水池"实用化的技术瓶颈之一。以"量值溯源"为基础的测量不确定分析方法体系(如ISO-GUM)并不适用于数值模拟。自AIAA于1998年发布"CFD不确定度分析导则"以来,关于CFD不确定度分析的技术术语和定义已逐步取得统一。2009年ASME发布了"CFD不确定度分析标准"并成为美国标准,必将有力地推动CFD不确定度分析的广泛应用和方法统一。文中首先对AIAA和ASME方法进行了综述,重点评述了"数值计算不确定度"(numerical uncertainty)的评定方法;其后,对ITTC现有规程(2008年修订)以及最新进展进行了简要的总结。文中还对如何将CFD不确定分析与船舶CFD实际应用相结合的问题给出了初步建议。