本文翻譯轉載于：Cadence blog

作者：Veena Parthan

空化對現代船只設計提出了嚴峻挑戰，尤其是對參加美洲杯帆船賽、旺代單人環球帆船賽和朗姆之路跨大西洋帆船賽等賽事的高速帆船而言。尤其是水翼極易受到空化的影響，空化會導致空蝕，損壞船只表面，甚至出現災難性故障，使船員面臨危險，從而帶來巨大經濟損失。螺旋槳也會受到空化空蝕的影響，導致效率下降、耐用性降低，以及隨之而來的昂貴的更換費用。

在本篇內容中，我們將探討 Fidelity Fine Marine 中的自適應網格加密（AGR）高級功能如何幫助建模和模擬水翼的空化空蝕，以更快的速度獲得更準確的結果。不再讓空化空蝕影響您的船只性能。有了 Fine Marine，您就能迎難而上，在比賽中保持領先！

DTC 螺旋槳——高爾夫（2018）

空化模擬

空化仿真需要引入一個全新的相——汽相，即水蒸汽。因此，空化仿真有三相，分別是液相、汽相以及自由液面。更重要的是流動屬于復雜的非定常流，如下圖所示的空化的脫落等非定常特征。此外，空化的仿真技術也高度依賴網格。為了正確捕捉空化的細節特征，必須在確定的區域保證網格的加密。這一過程非常耗時，且需要大量的技能和專業知識儲備。

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格勒諾布爾 LEGI 空化水洞

Fine Marine自適應網格

加密技術（AGR）

AGR 被廣泛用于各應用模擬，如阻力和耐波性、自航以及水翼和螺旋槳空氣卷吸等。事實證明，這項技術在提高精度和減少計算時間方面是可靠且有用的。Fine Marine 中的 AGR 模塊簡化了此類應用的設置流程。

AGR 基礎概念

Fine Marine AGR 技術應用非常簡潔。根據評估標準，對初始網格單元進行各向同性和各向異性網格加密。AGR 可以對自由液面處網格進行加密，以獲得所需的網格精細尺度。左側圖片顯示沒有經過加密的自由液面網格，而右側圖片則顯示了經過自動網格加密并達到合適網格尺寸的自由液面網格。

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用 Fidelity Fine Marine 的 AGR 功能

進行自由液面處網格加密

啟用 AGR 后可以發生什么？

1

根據實際流場計算加密標準

2

加密的標準會轉化為各向同性或者各向異性去加密、粗化網格，或者不對網格進行任何調整

3

不論任何區域的需要也都可以實現進行網格粗化

4

自動負載平衡可確保多個計算節點的最佳穩健性和性能

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AGR 調用原理步驟

AGR 的優勢是 CPU 成本相對較低。可以經常調用 AGR，并用于空化等高度非定常流場特征模擬。

聯合準則

針對空化模擬，我們主要關注在兩個準則：多相界面和輸運分量準則。

多相界面（MS）準則有助于捕捉水與空氣或水與水蒸汽兩種流體之間的自由液面或空化界面。通過設置目標網格大小，可以輕松控制自由液面處網格，從而獲得高精度的自由液面捕捉效果。

輸運分量 Hessian 準則（FCH）能捕捉所有的流動特征，并通過加密壓力場和速度場的二階導數矩陣來實現。它能很好地捕捉壓力和速度，從而提供更高的流動求解精度。控制這一標準需要兩個參數：一個是閾值，用于控制其對流動特征的敏感度；另一個是限制器，用于設置最小網格單元大小，避免網格過度細化。

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使用 MS-FCH 聯合準則進行網格自動加密

多相界面和輸運分量 Hessian 準則皆由軟件中的 MS-FCH 選項提供。仿真過程是各項因素的綜合結果，包括控制靈敏度的 Hessian 閾值。您可以自由調整，在精確度、高靈敏度和相對局部仿真之間做出選擇。通過選擇適當的值，您可以確定所需的仿真類型。網格可動態適應流動，確保在任何時間和空間都能獲得最佳網格尺寸。作為一名 CFD 工程師，您無需擔心如何改進網格細化以捕捉物理現象，整體準則和閾值已經涵蓋一切。它將捕捉自由液面、多相流界面和其它的重要流動特征。AGR 改變您的創建網格方式。

網格尺寸控制

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修改 Hessian 閾值實現粗網格和細網格的切換

AGR 參數直接影響網格的細化。例如，在上面的二維水翼模型中，您可以改變 Hessian 閾值，在相對粗糙的網格和非常精細的網格之間切換。您可以從一開始就選擇所需的精度。調整 Hessian 閾值就像進行網格收斂性研究一樣方便。在傳統的網格收斂性研究中，工程師需要創建從粗到細多套網格，然后比較計算結果。但使用 AGR 功能，只需改變一個值，就能獲得不同的計算，無需重新生成網格。此外，也可以利用變量來模擬網格收斂性研究。

值得注意的是，用于仿真的理想網格不再需要事先準備，因為它本來就是仿真結果輸出的一部分。

AGR 對粘性層的影響

在生成理想網格時，創建粗網格有很多優點。其中之一是可以更方便地在 Fidelity Hexpress 中插入邊界層，而且膨脹技術可用于邊界層厚度的微調，以確保與遠場網格的平滑過渡。這種技術也保證了創建全六面體網格的可能性。

不過，粗網格也有一個缺點。如左圖所示，非常密集的面網格加密會壓縮粘性層，導致邊界層厚度減少。另一方面，右圖顯示的是為 AGR 生成的更粗的網格，邊界層的厚度要大得多。粗網格方案還會在粘性層中創建大區域大長寬比網格同時沿幾何形狀排列的邊界層網格。通過觀察右側的網格，我們已經可以預知這樣生成的網格精度會更高。

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高密度的面網格加密壓縮了粘性層厚度

粗網格生成

為了更好地理解 AGR 如何改變網格的生成方式，我們來看一個 3D 例子。這個實驗中，我們不需要體加密，因為 AGR 已經可以做到網格加密。這樣以來，我們就可以經濟高效地生成網格。左邊圖片顯示的是經典網格，右邊圖片顯示的是被 AGR 粗化過的網格，可以例證 AGR 提供網格的穩健性和可信度水平。

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AGR 技術粗化網格

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簡而言之，AGR 為 CFD 工程師提供了全新的工作流程，簡化網格生成任務，同時確保網格數量和求解精度之間的完美平衡。通過創建粗網格并仿真計算出理想的網格，AGR 可以輕松進行非穩態情況下的網格收斂性研究。AGR 為實現更高的自動化水平鋪平了道路，無需太多的技能和專業知識即可實現高穩健性和高可信度數值模擬。

如需了解更多有關使用 Fidelity Fine Marine 非穩態 AGR 模擬的信息，請點擊文末“閱讀原文”。

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