3 - 2015

Цифровые технологии в проектировании судов: использование комплекса FlowVision

Борис Станков
Директор, Digital Marine Technology
Андрей Печенюк
Руководитель отдела вычислительной гидродинамики, Digital Marine Technology

Гидродинамические задачи, возникающие при проектировании морских и речных судов, хорошо известны своей сложностью и высокими требованиями к точности результатов. Традиционный путь их решения состоит в проведении достаточно масштабных и дорогостоящих экспериментов с помощью специальных лабораторных установок — опытовых бассейнов, гидролотков, кавитационных труб.

С 1990­х годов в судостроительных КБ начали использовать численные методы гидродинамики для предварительной оптимизации различных элементов гидродинамического комплекса, прежде всего обводов корпуса. Теоретические основы численных методов начали формироваться еще с 1960­х годов, но практическая реализация стала возможна благодаря бурному развитию вычислительной техники и оформилась в виде создания специализированных программных комплексов (ПК). Первые ПК такого типа были разработаны и начали применяться в регионах с развитыми цифровыми технологиями и судостроением: в странах Западной Европы, США и Японии.

Вначале в основном использовались панельные методы, построенные на моделировании потенциального потока с помощью гидродинамических особенностей. Панельные методы имели много ограничений, связанных с невозможностью полного учета эффектов вязкости. С практической точки зрения они были удобны сравнительно низкими затратами вычислительных ресурсов, при которых можно было получить более­менее адекватные качественные результаты.

С ростом вычислительных возможностей стало активно развиваться другое направление, основанное на численном решении дифференциальных уравнений вязкой жидкости (уравнений Навье — Стокса) методом конечных разностей или конечного объема. Очень быстро перспективность этого подхода, в котором доступны наиболее общие и строгие постановки, стала общепризнанной. Примерно с начала 2000­х годов численные методы решения уравнений Навье — Стокса стали в судостроительных задачах основными.

В настоящее время в мире существует около двух десятков ПК, в которых созданы и совершенствуются возможности высокоточного моделирования обтекания судна вязким потоком со свободной поверхностью на базе численного решения уравнений Навье — Стокса. Данные об особенностях этих ПК доступны в материалах международного семинара по проблемам численного моделирования обтекания судового корпуса вязким потоком [1]. Результаты решения тестовых задач показывают, что при сетках с числом неизвестных порядка нескольких миллионов точность численного расчета сопротивления судна немного уступает модельному эксперименту, но уже сопоставима с ним.

В последние годы в нашем регионе начал активно применяться сравнительно новый российский ПК FlowVision. Например, FlowVision используют в Зеленодольском ПКБ, ЦМБК «Алмаз», Marine Technology Development Ltd, ЗАО «Морская техника», Волжском государственном университете водного транспорта, Николаевском университете кораблестроения. Компания Digital Marine Technology (DMT) использует FlowVision с 2004 года для задач гидродинамической отработки обводов и исследования мореходных качеств судов.

FlowVision основан на методе конечных объемов, который является в настоящее время индустриальным стандартом; имеет возможность расчета сжимаемых и несжимаемых течений жидкости и газа, содержит пять моделей турбулентности.

Основное отличие FlowVision от аналогов — автоматическая генерация расчетной сетки. Обычно в вычислительной гидродинамике и прочностном анализе до 90% работы пользователя связано с подготовкой расчетной сетки. В FlowVision реализована автоматическая генерация расчетной сетки с использованием подсеточного разрешения геометрии (адаптивная локально измельченная сетка, или АЛИС). Благодаря этой технологии пользователь задает только общую конфигурацию прямоугольной начальной сетки, а построение сложных по форме ячеек вблизи поверхностей с граничными условиями выполняется автоматически.

При моделировании турбулентного обтекания судна используется подход URANS, основанный на решении нестационарных уравнений движения жидкости и двухпараметрической модели турбулентности типа k­ε. Свободная поверхность моделируется с помощью модифицированного метода VOF. Важной возможностью FlowVision является моделирование перемещения подвижных тел при наличии в потоке свободной поверхности.

В целом FlowVision сегодня обладает всеми основными технологиями, которые используются в ведущих ПК, применяемых в судостроительной отрасли. Его собственные положительные качества — это прежде всего технология расчетной сетки АЛИС, а также современный Windows­интерфейс.

В 2013 году были опубликованы [2] результаты тестирования FlowVision в задаче моделирования буксировки эталонного судна KCS, выполненного в соответствии с правилами и рекомендациями семинара [1]. Анализ показал, что погрешности в расчетных величинах соответствуют уровню других участников, использовавших ведущие ПК.

Опыт использования FlowVision специалистами DMT показал, что он является удобным, эффективным и гибким инструментом решения разнообразных проектных задач. С помощью FlowVision были выполнены исследования в рамках более чем 50 проектов новых или модернизируемых судов различного типа и назначения. Многие исследования дали важные и неочевидные результаты, позволившие разработать уникальные решения и существенно улучшить проектные показатели.

Первыми объектами численных исследований DMT стали суда смешанного (река — море) плавания нового поколения, которые активно проектируются и строятся в нашем регионе с начала 2000­х годов. Эти суда отличаются сравнительно небольшими размерами, отвечающими условиям эксплуатации в реке, что делает их более доступными в отношении стоимости, в том числе за счет постройки на речных судостроительных заводах.

Пилотным можно считать исследование сухогрузного судна грузоподъемностью в море около 6500 т [3] — рис. 1. Для судна с высоким коэффициентом полноты (более 0,9) удалось найти комбинацию обводов корпуса и элементов винторулевого комплекса, которая обеспечила достаточно высокие ходовые качества. Был получен пропульсивный КПД несколько выше 0,6, что сопоставимо с судами предыдущих поколений, которые имели менее полные обводы и, как следствие, значительно меньшую грузоподъемность. Полученные результаты были использованы в проекте, по которому построено четыре судна для иранского судовладельца, а затем, после незначительных изменений, при проектировании серии из 12 судов для российских компаний. Генеральным проектантом судов является Морское инженерное бюро (МИБ), Одесса.

Рис. 1. Сухогрузное судно грузоподъемностью около 6500 т

Рис. 1. Сухогрузное судно грузоподъемностью около 6500 т

Рис. 1. Сухогрузное судно грузоподъемностью около 6500 т

Рис. 2. Танкер грузоподъемностью около 5400 т

Рис. 2. Танкер грузоподъемностью около 5400 т

Рис. 2. Танкер грузоподъемностью около 5400 т

Среди работ по судам смешанного плавания нельзя не упомянуть и танкер с предельно полными обводами, также спроектированный МИБ. Современная тенденция увеличения коэффициентов полноты особенно актуальна для танкеров, так как на этих судах каждую дополнительную тонну грузоподъемности проще использовать для перевозки коммерческого груза. В результате возникла интересная задача о максимально полных обводах, которые еще могли бы обеспечить приемлемые ходовые и мореходные качества. Результаты решения этой задачи были реализованы в проекте танкера грузоподъемностью в реке около 5400 т (рис. 2), по которому уже построено 28 судов.

Непростые гидродинамические задачи возникают при проектировании составных судов — баржебуксирных составов. Буксир­толкач и баржа в современных составах стыкуются с помощью автоматических сцепных устройств, что обусловливает специальные требования к форме обводов судов для оптимизации их совместного обтекания. На рис. 3 показан буксир­толкач, форма обводов которого разработана для состава, спроектированного ЗАО «Спецсудопроект».

Рис. 3. Буксир-толкач для баржебуксирного состава

Рис. 3. Буксир-толкач для баржебуксирного состава

Рис. 3. Буксир-толкач для баржебуксирного состава

Численное моделирование становится все более востребованным в проектах судов технического флота, который в последние годы начал активно обновляться. Буксиры, обстановочные суда, земснаряды и грунтоотвозные шаланды — эти внешне неказистые и небольшие суда, тем не менее, играют очень важную роль в поддержании инфраструктуры морского и речного судоходства. Из­за сравнительно небольших бюджетов организация полноценных экспериментальных исследований всегда встречала трудности при проектировании. В советскую эпоху эти трудности еще можно было преодолеть — главным образом, за счет разработки типовых проектов и крупносерийной постройки, что в современных условиях практически невозможно.

Поэтому численное моделирование в проектах судов техфлота является инструментом, который позволяет найти оптимальное соотношение между затратами и качеством проектных решений. Стоимость численного моделирования при сопоставимых с экспериментом объемах ниже, как минимум, в 2­3 раза. Кроме того, программа численного исследования лучше поддается масштабированию, так как подготовка 3D­моделей составляет небольшую долю работ. В эксперименте же из­за высокой трудоемкости изготовления моделей изменение объема испытаний сравнительно слабо сказывается на конечной стоимости.

Любопытно, что с точки зрения гидродинамики проекты судов техфлота, как правило, отличаются большой сложностью. В основном это связано с высокой относительной скоростью, обусловленной малыми размерами судов. По режиму волнообразования буксиры и обстановочные суда близки к боевым кораблям и моторным яхтам. При этом на форму корпуса действуют многочисленные специфические ограничения. Все это делает проектирование гидродинамического комплекса таких судов интересной и достойной задачей.

Рис. 4. Буксирный катер мощностью 360 кВт

Рис. 4. Буксирный катер мощностью 360 кВт

Рис. 4. Буксирный катер мощностью 360 кВт

В качестве примеров на рис. 4 представлен речной буксирный катер мощностью 360 кВт, на рис. 5 — обстановочное судно мощностью 110 кВт, для которых численные исследования выполнялись по заказу Горьковского центрального конструкторского бюро речного флота (Нижний Новгород).

В проектировании морских судов численные методы открыли новые возможности в области оптимизации за счет предварительной подготовки сложных решений, для которых экспериментальное исследование на заключительной стадии проекта может носить характер окончательной проверки. Эти возможности особенно актуальны для специализированных судов, у которых гидродинамический комплекс представляет собой непростой компромисс между разнообразными и противоречивыми проектными требованиями.

Рис. 5. Обстановочное судно мощностью 110 кВт

Рис. 5. Обстановочное судно мощностью 110 кВт

Рис. 5. Обстановочное судно мощностью 110 кВт

Рис. 6. Многофункциональный спасательный ледокол мощностью 7 МВт

Рис. 6. Многофункциональный спасательный ледокол мощностью 7 МВт

Рис. 6. Многофункциональный спасательный ледокол мощностью 7 МВт

Примерами таких судов являются многофункциональные аварийно­спасательные суда, к которым, как правило, предъявляются высокие требования одновременно по скорости полного хода и тяговым характеристикам, ледовым качествам и мореходности. Среди наших работ по спасательным судам можно отметить численные исследования для спасательного ледокола мощностью 7 МВт (рис. 6) и спасательного судна мощностью 4 МВт (рис. 7), которые спроектированы МИБ.

Рис. 7. Многофункциональное спасательное судно мощностью 4 МВт

Рис. 7. Многофункциональное спасательное судно мощностью 4 МВт

Рис. 7. Многофункциональное спасательное судно мощностью 4 МВт

Не менее интересным примером является проект судна тылового обеспечения [4], разработанный ЗАО «Спецсудопроект» (рис. 8). В рамках численного исследования, выполненного для этого проекта компанией DMT, было рассмотрено восемь вариантов обводов корпуса, проведены достаточно объемные вычисления с целью выбора наиболее обоснованных решений. В результате были обеспечены надлежащие мореходные и эксплуатационные качества судна, подтвержденные надежными экспериментами.

Таким образом, к настоящему времени уже накоплен достаточно богатый опыт использования FlowVision в практическом проектировании. Этот опыт, наряду с результатами решения тестовых и исследовательских задач, показывает, что в гидродинамике судна FlowVision стал серьезным инструментом, возможности которого вполне сопоставимы с хорошо известными и давно существующими на рынке аналогами. 

Рис. 8. Судно тылового обеспечения

Рис. 8. Судно тылового обеспечения

Список используемой литературы:

  1. L. Larsson, F. Stern and M. Visonneau. CFD in ship hydrodynamics — results of the Gothenburg 2010 workshop [Текст] / Larsson L., Stern F. and Visonneau M. // Proc. of the IV International Conference on Computational Methods in Marine Engineering — Barcelona (Spain): CIMNE, 2011. P. 17­36.
  2. Печенюк А.В. Эталонное тестирование ПК FlowVision в задаче моделирования обтекания судового корпуса [Текст] / А.В. Печенюк // Компьютерные исследования и моделирование. 2014. Т. 6. С. 889­899.
  3. Вишневский Л.И., Егоров Г.В., Станков Б.Н., Печенюк А.В. Проектирование пропульсивного комплекса судна ограниченного района плавания на базе современных методов вычислительной гидродинамики [Текст] / Л.И. Вишневский, Г.В. Егоров, Б.Н. Станков, А.В. Печенюк // Судостроение. 2006. № 2. С. 27­31.
  4. Программный комплекс FlowVision как современный инструмент проектирования судовых обводов [Текст] / А.А. Аксенов, С.В. Жлуктов, А.С. Петров и др. // Судостроение. 2013. № 4. С. 27­31.

САПР и графика 3`2015