基于OpenFOAM的船舶水动力学应用关键技术分析

摘要

近年来,计算流体力学商用软件数值模拟的缺点愈发显著,表现在装机价格高昂、不完整的修改参数功能、新模型研发缓慢和计算效率较低等多方面,而开源计算流体力学数值模拟软件OpenFOAM的出现为CFD的基础研究提供了新的选择。作为新的CFD通用平台,OpenFOAM由C++编写和开发,突出优点包括开源、前后处理接口多样性、稳固的底层类库、大规模并行计算能力突出等,研究者更可自由地定制个性化求解器以针对求解某类问题,增强工作的深度和针对性。因此,越来越多船舶水动力学领域的研究者开始采用OpenFOAM工作和进行开发。
　　因此本文以预报相关模型升阻力并模拟流场流动为基础,对OpenFOAM在船舶水动力学领域的应用进行了探索和研究,具体工作如下:
　　(1)基于OpenFOAM对二维NACA0012模型升阻力进行了预报,并与相关试验数据比较,验证了OpenFOAM准确性。
　　(2)基于OpenFOAM、Fluent对三维SUBOFF潜艇光体及全附体模型分别在不同航速下进行了阻力预报,并与DARPA试验数据比较分析,评价了计算精度和算法。
　　(3)总结了OpenFOAM快速入门和初始条件设置、计算收敛控制特别是并行计算等使用效能,并详细评价了后处理软件ParaView。
　　(4)简析GUI扩展程序HELYXos的功能与优缺点,总结阐释OpenFOAM求解器二次开发的方法流程,示范编译了简单的“HelloHuster”程序。
　　最后,通过总结本文所做工作认为OpenFOAM的发展日趋成熟,在船舶水动力领域的应用范围和求解精度正在趋近商业软件Fluent,在某些使用效能上有着独特且后者无法企及的优势。虽然标准求解器可能还需完善,但开源软件OpenFOAM是船舶水动力研究者自编程开发定制使用成本更低、计算速度更快、求解精度更高、对于某类问题特定优化的求解器进行数值模拟最佳选择之一。

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1 绪论

1.1课题研究背景

1.2国内外研究

1.3本文的研究内容

2 研究理论基础

2.1三大理论方程

2.2有限体积法

2.3湍流模型

2.4流场的求解

3 OpenFOAM数值模拟基本步骤与实现方法

3.1系统与环境变量

3.2 Case目录和网格转化

3.3初始条件和控制文件

3.4并行计算

3.5本章小结

4 OpenFOAM数值模拟结果分析

4.1二维NACA0012模型OpenFOAM水动力性能模拟

4.2 SUBOFF潜艇光体模型水动力性能模拟

4.3 SUBOFF潜艇全附体模型水动力性能模拟

4.4本章小结

5 OpenFOAM使用效能与开发研究

5.1 OpenFOAM使用小结

5.2 OpenFOAM使用效能

5.3用户自定义开发

5.4本章小结

6 全文总结

6.1本文主要研究工作和结论

6.2对于未来研究工作的展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表论文