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采用ANSYS仿真技术助力沃尔沃环球帆船赛

2015/12/17    来源:ANSYS    作者:Nick Hutchins      
关键字:ANSYS  CFD  仿真  
本文介绍了新西兰酋长队的工程人员依靠ANSYS提供的CFD仿真技术,为长达七个月的沃尔沃环球帆船赛优化船只航海性能。

    沃尔沃环球帆船赛是世界上最严酷的运动赛事之一。这项比赛每三年举办一次,比赛过程中,参赛船队的11名海员需要驾驶帆船在变幻莫测的大海上航行3.9万英里。比赛的航线覆盖全球,有些赛段位于世界上最危险的海域,其中包括合恩角。

 从10月到次年7月,参加沃尔沃环球帆船赛的赛手每次航行最长20天,总共完成赛事的九个赛段。赛手们要忍耐千篇一律的冷冻干燥食品、高达10米的波浪和摄氏零下5度到40度的巨大温差。

 虽然迎接日常赛事挑战的是赛手,但这项高难度的运动也给帆船设计师带来了特别的难题。根据赛事规定,每艘帆船完成任何赛段使用的风帆数量不得超过八张,相比之下一般两小时赛程的美洲杯帆船赛可使用十三张风帆。赛手们需要操纵这八张风帆来完成跨洋比赛,而在赛段的任何地方,遇到的情况可能是完全无风,也可能是十级狂风。

 风帆数量少,风速不稳定,意味着沃尔沃环球帆船赛的赛手往往必须在不利的风向和风速下使用未针对此种情况进行优化的风帆航行。帆船的船体和附体必须在设计上有相辅相成的作用。因此,在帆船设计过程的早期阶段,帆船设计人员必须深入把握不同的风帆及其功能所带来的影响。

风帆的性能:关键之处

 在2011年到2012年沃尔沃环球帆船赛中,世界帆船赛事中的佼佼者新西兰酋长队在西班牙鞋类制造商Camper的赞助下,采用ANSYS提供的先进技术设计出一款帆船。新西兰队过去14年一直使用ANSYS软件,在空气动力学设计和流体动力学设计的应用方面取得了巨大成功。

 为掌握风帆设计在整个3.9万英里沃尔沃全球帆船赛中所发挥的作用,并将数据反馈回整个帆船设计流程中,新西兰酋长队的工程人员对这些设计进行风洞测试并利用ANSYS CFX软件进行计算流体动力学(CFD)仿真实验。

 由于整条帆船的设计时间仅有四个月,设计小组重点使用ANYS的工程仿真软件来获得快速可靠的CFD结果。为给CFD仿真建立一个物理基础,新西兰酋长队的工程人员首先在奥克兰大学的一个独特的旋流风洞中进行风帆研究在为期三天的时间里,他们完成了216次测试,完整覆盖新西兰队在各种预期风速和迎角条件下的初步风帆组合。

 新西兰队在模型帆船上安装小型摄像头,用于观察风帆。使用可实时计算风帆形状和位置的专门工具VSPARS,设计人员能够全面地将每张风帆和索具偏转情况输出到桌面显示器上。得到的数字图像用于为后续的CFD分析提供准确的风帆外形。他们把重点放在采集与各种风帆有关的大量数据,这样工程人员就能够迅速启动和运行速率预测程序(VPP),掌握帆船总体设计带来的影响。

图1 旋流风洞物理测试生成的图像用于后续的风帆性能CFD仿真

图1 旋流风洞物理测试生成的图像用于后续的风帆性能CFD仿真

用HPC迅速获得结果

 接下来使用ANSYS ICEM CFD Hexa建立模块化结构网格。这种方法能够在桅杆和风帆周边建立高分辨率的边界层网格,同时保持网格大小的可调性,使网孔数量介于800万至1000万之间。由于网格的生成非常费时,可以让这个过程自动化运行来提高工作效率。使用Perl脚本通过批处理方式运行ICEM CFD和CFX-Pre,对于900万个网孔的网格,整个过程所花的时间大约是10分钟。

 新西兰酋长队的工程人员每天采用高性能计算资源在多种风向风速条件下对数十种风帆组合进行评估。设计小组采用的戴尔服务器集群是新西兰规模最大的专用计算集群。它专门针对CFX仿真进行优化,并采用智能排队系统,可以显著改善新西兰酋长队船体的设计效率。

 随着船体和附体设计的进展,风帆设计也在继续。新西兰酋长队的工程人员根据CFD研究结果不断对风帆的空气动力学单元进行优化,从而能够更好地与针对水面和水下单元而开发的整个船体构造相适应。这是一个重复性的闭环过程,目的是确保帆船的船体和附体与风帆组合相匹配。

责任编辑:吴星星
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