船舶水动力CFD计算不确定度分析方法研究
基于RANS的CFD已成为船舶水动力学科研工作者广泛使用的闩常技术手段;CFD的验证与确认(V&V)是CFD工程实用化关注的重点,也是保证CFD计算预报结果可靠性的关键环节:CFD的计算不确定度分析评估是V&V的技术热点和难点,也是V&V的核心之一.AIAA V&V-1998《计算流体动力学模拟的验证与确认指南》统一了相关的技术术语与内涵;ASME V&V20-2009《计算流体动力学和热传导的验证与确认标准》比较详细地规定了V&V的技术体系,推荐了当前应用较为普遍的CFD计算不确定度分析评估的具体方法和步骤,但以网格收敛指数GCI为核心的评估方法还存在概念和理论依据模糊的问题.这不仅影响着CFD计算不确定度分析研究的方向和深度,也降低了CFD不确定度分析对提升CFD实用水平的直接支撑作用. 本文通过较为广泛的文献研究与追根溯源的分析探寻,较为全面地回顾了CFD不确定度分析技术研究发展历程,较为系统地总结了船舶水动力CFD的计算不确定度分析技术现状,以澄清CFD不确定度分析的基本概念、理清研究工作的基本思路.在此基础上,本文系统地构建了一系列数值计算分析实例,以揭示Richardson外插法应用于CFD计算网格收敛指数评估的本质和内涵:并以潜艇艇体模型的阻力预报为例,研究并提出了CFD计算不确定度分析评估的新方法:以DTMB-58系列24条艇模的阻力为研究对象,探讨了对CFD计算预报结果进行面向实用的、系统性确认分析的技术思路和途径.本论文研究的主要技术创新点为: 1)提出了新的网格细化收敛比(Convergence Ratio)表达式(R〓=ε??/ε??·r),与ASME V&V20-2009标准中的表达式(R=ε??/ε??)相比,可更准确地评定网格收敛特性; 2)通过算例分析,明晰了Richardson外插值(δ〓)是对CFD网格划分趋于无限细化的理想计算值的估计,而不是对"CFD计算不确定度"的评估.并据此提出了基于渐进收敛网格计算结果的Richardson外插分析的CFD计算预测值的概念、表达式(S〓)及其计算不确定度评估表达式(U〓). 3)明确了网格收敛性与网格敏感性内涵的区别:网格收敛性是指按一定的方式进行网格划分时,在网格质量基本保持相同的情况下,CFD计算结果随网格细化的变化规律;网格敏感性是指网格划分方式或网格质量的变化对CFD计算结果的影响. 上述研究成果及较为丰富的数据资料可为船舶水动力CFD的计算不确定度分析评估研究和应用提供较具体的参考和借鉴. 关键词:CFD;验证与确认;计算不确定度分析;Richardson外插;网格收敛指数
- 作者：
- 吴宝山
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2012年
- 导师姓名：
- 沈泓萃