阻力和流场的CFD不确定度分析探讨

为了解并研究CFD中不确定度分析的整个过程和细节,依照ITTC推荐规程,针对SUBOFF潜艇阻力和流场的数值模拟结果,进行了CFD中的不确定度分析和探讨.数值计算中采用了5套网格,网格加细比rc=√2.在此基础上,进行了验证分析,评估了数值误差和数值不确定度,验证过程全部完成.而后进行了确认分析,评估了对比误差和确认不确定度,确认过程全部完成.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

螺旋桨敞水性能CFD不确定度分析

基于商用PANS代码,利用结构化网格技术和流道计算模型对库存螺旋桨敞水性能进行数值计算,并参考ITTC-CFD不确定度分析推荐规程和基准检验试验数据,对其水动力数值模拟结果进行验证和确认.文中为开展网格收敛性研究,共设计了三套网格,网格加细比为平方根2.同时也分析比较了SST k-ω湍流模型和RNG k-ε湍流模型对网格收敛特性的影响,为螺旋桨敞水水动力数值模拟方法向工程应用方向迈进提供技术支撑.     

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.     

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。     

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。     

潜艇流场数值模拟及不确定度分析

为了分析计算流体力学预测结果的可信度问题,采用雷诺平均N-S方程,结合SSTκ-ω湍流模型,对验证研究用的美国DARPA潜艇模型SUBOFF光体湍流场进行数值计算,预报了艇体压力系数,计算流体力学预报值与实验基准数据有较好地吻合,并对雷诺平均N-S方程法进行了验证与确认,不确定度为1.52%.本文相关计算网格数20万左右,单机运行时间大约在2 h后得到收敛值,充分显示了计算流体力学方法在潜艇初步设计中预测水动力性能的高效性、可用性与可信性.     

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。     

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。     

喷水推进轴流泵汽蚀性能RANS模拟与不确定度分析

对模型尺度的喷水推进轴流泵汽蚀性能进行了准定常RANS模拟,并根据第28届国际拖曳水池会议推荐的规程进行了数值不确定度分析.采用Realizable k-ε2层模型,并采用细化的边界层网格直接解析黏性底层流动.控制方程采用2阶格式离散和SIMPLE算法求解;计算域采用分块六面体结构化单元离散,并采用3套具有相同细化比的网格进行流动计算与数值不确定度分析,结果表明:模拟结果的数值不确定度不超过2％,汽蚀余量预报具有较高的精度.     

ICP-AES法测定水中铁、锰的不确定度评定

本文对ICP-AES法测定水中铁、锰的能力验证项目进行不确定度评定。讨论和比较了测量重复性、工作曲线变动性、标准溶液及分取标准溶液等不确定度影响因素,不确定度主要来源于分取标准溶液的过程中,工作曲线变动性的不确定度分量很小。水样中铁和锰含量的相对扩展不确定度分别为1.8%(k=2)和1.7%(k=2)。本文尝试将不确定度评定结果和能力验证统计量结合用于实验室检测能力水平分析。铁、锰的测定值与能力验证中位值接近,水样的测定结果为满意结果。     

循环水槽船模阻力试验不确定度分析

[目的]采用试验流体力学(EFD)和计算流体力学(CFD)方法研究流体力学,都存在不确定度分析的问题。针对循环水槽船模阻力试验开展不确定度研究,分别分析精度极限、天平标定和数据采集过程中引起的不确定度。[方法]针对循环水槽所特有的、来流不均匀度和湍流强度难以通过EFD方法求解不确定度的敏感系数,根据上海交通大学循环水槽的实际情况建立相关数学模型,采用CFD模拟得到来流不均匀度和湍流强度对总阻力的影响,应用不确定度理论得到相应的不确定度分量,对CFD计算的不确定度进行专门分析。[结果]结果显示:在CFD不确定度分析中,修正和未修正的计算结果均得到了有效确认,表明利用CFD模拟开展研究可行;循环水槽船模阻力试验合成相对不确定度为1.91%,湍流强度对阻力的影响最大,起主导作用,在设计循环水槽时应尽可能降低湍流强度;由不均匀度引起的不确定度分量,以及由精度极限、天平标定和数据采集过程引起的不确定度分量均不大。[结论]采用CFD方法分析EFD不确定度的一些分量,具备可行性和一定的借鉴意义。     

传感器测量不确定度的卷积评定方法

传感器作为测试系统的首要环节,其测量不确定度对测试结果影响最大。为此,分析了传感器主要不确定度来源,讨论了传感器测量不确定度常用的评估方法的优劣。针对当前传感器测量不确定度评估存在问题,提出了采用卷积原理来评定传感器合成不确定度的一种新方法,并运用MATLAB实现了该方法;最后以称重传感器作为实例验证了该方法的有效性。     

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.     

穿浪双体船迎浪纵向运动和阻力增值CFD不确定度分析

基于RANS方法,对穿浪双体船浪(WPC)迎浪纵向运动和阻力增值进行了数值分析,并对计算数值进行了验证和确认,证明了静水和波浪中运动计算结果的可靠性。通过计算结果与模型试验数据的对比发现,RANS方法在各种波长中预报精度均较高,验证了该方法的有效性。     

船舶操纵性计算预报中的不确定度评定

不确定度分析是以定量的形式给出数据结果的品质和可信度,是数据分析中必要的一个组成部分。为了适应国际海事组织(IMO)正式通过的 MSC.137(76)船舶操纵性标准(IMO,2002b)决议,就要求在船舶设计阶段通过数值计算方法预报的操纵性能更加精确。因此,文章依照 GUM 不确定度评定方法,基于船舶操纵性预报整体型数学模型,结合操纵性水动力试验结果及其导数分析,对船舶操纵性预报结果进行了不确定度评定。