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原文传递基于多重网格CFD技术的精细流场快速预报

论文题名：	基于多重网格CFD技术的精细流场快速预报
关键词：	破损船;船舶运动;计算流体动力学;多重网格;精细流场;快速预报
摘要：	局部流场精细捕捉及快速预报是船舶与海洋工程水动力学的热点议题，亦是计算流体动力学（CFD，ComputationalFluidDynamic）前沿技术关注的焦点，已成为国际非线性水波动力学中一个十分活跃且富有挑战性的研究领域。本文以破损船舶强非线性运动快速预报为主要研究对象，针对破损船舶典型运动数值模拟耗时、效率低等问题，主要围绕基于多重网格CFD技术的精细流场快速预报，在CFD理论框架下，结合径向基函数（RBF，RadialBasisFunction）方法，开展“多重网格预估-修正迭代加速”、“分区径向基函数插值”、“非结构网格数据切换”等方面研究。基于破损船舶运动数值水池建模和非结构网格数据切换模块，提出基于分区径向基函数插值技术的多重网格预估-修正迭代加速技术，建立破损船舶典型横摇运动精细流场快速预报方法，具有概念简单、实施方便且确保精确与高效的特点，为破损船舶精细流场及运动响应快速预报提供新的技术与手段。　　首先，本文依据网格不确定性分析、瀑布式多重网格理念，以粗网格实施预估解，通过插值算子实现流场信息光滑，在细网格中修正获得迭代收敛解，提出并发展多重网格预估-修正迭代加速方法，实现破损船舶横摇中精细流场快速预报。该方法基本理念是指，引入预估解（如等效粗网格模拟解），以径向基函数，构建高效精确插值模块，通过粗-细-更细多重网格间数据插值与映射，以细网格模拟修正预估解，实现细网格精细流场捕捉与快速预报，解决传统单一网格方法流场预报效率低的问题，取代传统的稳态初始条件下速度、压力分布等传统技术。　　理论上，以多子集逼近理念为核心元素的分区径向基函数（P-RBF，PartitionedRadialBasisFunction）插值方法，适合多元散乱数据的拟合与插值，确保系数矩阵非奇异，具有概念简单的特点，适用于结构网格与非结构网格。由于流场中以欧式距离为元素的定义点形成大满秩矩阵，如何高效精确求解大满秩矩阵面临严峻的挑战（如计算量大、效率低，尤其3D问题）是解决网格间插值的关键问题。为此，依据矩阵分区降维技术、均匀采样技术等，通过构建区域分块指示器模块，选择合理插值样本，分解大规模矩阵，建立系列低维小满秩矩阵，形成分区径向基函数插值技术。　　为验证分区径向基函数插值技术的精度、效率与可行性，首先以简单解析式为例，比如二维平面插值问题、三维曲面插值问题（参见第三章），通过采用三种径向基函数插值方法（全域、紧支、分区）插值并对比，计算结果表明，采用合适变化分区指示函数，可实现不同网格间精确数据传递，确保插值效率和精度。　　其次，为验证多重网格预估-修正迭代加速方法的精度、效率与可行性，以典型粘性流动问题对其进行验证，比如二维圆柱绕流问题、三维绕KCS船模流动问题、均匀来流中底端固结的弹性平板流固耦合问题（参见第四章），计算结果表明：相对于传统的单一网格CFD方法，该多重网格预估-修正迭代方法在效率和精度上具有显著的优势。进一步，在求解弹性平板粘性水弹性流固耦合问题中，针对固液界面流体-固体非结构网格非匹配问题，流体软件STAR-CCM+与固体软件ABAQUS数据接口问题，开发构建网格单元、单元面数组类指标切换递推模型，也验证分区径向基函数的插值可靠性。　　最后，以多重网格预估-修正迭代加速方法，结合CFD技术，实现复杂流动问题高效求解如完整船与破损船的自由横摇衰减运动问题、破损船舶横浪运动（参见第五章），探索多种海况下波浪中船舶运动规律，计算效率也优于传统单一网格CFD方法。
作者：	张筠喆
专业：	力学
导师：	李廷秋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021