技术资讯 I 帆船赛中的“隐形杀手”：通过网格技术精准捕捉空化

空化现象（Cavitation）

现代船舶设计的严峻挑战。

尤其在美洲杯、旺代环球帆船赛等顶尖赛事中，高速行驶的帆船对性能有着近乎苛刻的要求。此时，水翼和螺旋桨极易遭受空化的“侵蚀”：

轻则导致效率下降、产生昂贵的维修成本；

重则引发灾难性故障，威胁船员安全。

如何精准建模、模拟空化，并在设计阶段就将其化解？今天，我们聊聊Fidelity Fine Marine 中的“黑科技”——AGR（Adaptive Grid Refinement，自适应网格细化）。

DTC 螺旋桨 - Golf（2018）

空化建模与仿真

空化仿真的核心难点在于：它涉及复杂的“三相”转换。除了液相（水）和自由液面，还引入了全新的汽相。最重要的是，空化流动是复杂的非定常流，正如下图中所示——蒸汽空泡会从表面脱离。此外，空化仿真的技术约束使得仿真结果高度依赖于网格质量。为精确捕捉空穴的细节特征，必须定义网格细化区域。这一过程非常耗时，且需要大量专业技能与知识储备。

格勒诺布尔 LEGI 空化水洞。

Fine Marine 中的 AGR 技术

自适应网格细化（AGR）技术广泛应用于多种仿真场景，如阻力与耐波性仿真、作动盘及实体螺旋桨自航仿真，以及水翼与螺旋桨周围的通气现象仿真。大量实践证明，AGR 技术能有效提升计算精度并显著缩短运算时间。Fine Marine 中的 AGR 功能极大简化了此类应用的设置流程。

AGR 的基础概念

Fine Marine 中的 AGR 技术流程很简洁。根据评估标准，对初始网格单元进行各向同性和各向异性网格细分。AGR 可以对自由液面处网格进行细化，以获得所需的网格精细尺度。左侧图片显示没有经过细化的自由液面网格，而右侧图片则显示了经过自动网格细化并达到合适网格尺寸的自由液面网格。

用 Fidelity Fine Marine 的 AGR 功能进行自由液面网格细化

调用 AGR 的运行机制

根据实际流场动态计算细化标准。

将标准数值转化为各向同性/各向异性的网格细化、粗化，或不对网格进行任何调整。

在需要区域执行网格粗化处理。

自动负载平衡确保多计算节点间的最佳健壮性和性能。

AGR 调用原理步骤。

AGR 的优势在于消耗的 CPU 资源相对较低。工程师可以频繁调用 AGR，并能将其应用于空化等高度非定常流特征仿真。

联合准则

针对空化仿真，我们主要关注在两个准则：多相界面和通量分量准则。

多相界面（MS）准则有助于捕捉两相流（水与空气或水与蒸汽）之间的自由液面或空化界面。通过设置目标网格大小，可轻松控制界面捕捉精度，从而获得高精度的自由液面捕捉效果。

通量分量 Hessian（FCH）准则通过细化压力场与速度场的二阶导数矩阵，全面捕捉所有流动特征。通过准确捕捉压力与速度，该准则能提供更高的流动求解精度。控制这一标准需要两个参数：用于调节流动特征敏感度的阈值，以及用于设置最小单元尺寸以避免网格过度细化的限制器。

使用 MS-FCH 联合准则进行网格自动细化。

多相界面和通量分量 Hessian 准则皆由软件中的MS-FCH 选项提供。仿真过程是各项因素的综合结果，包括控制灵敏度的 Hessian 阈值。工程师可以自由调整，在精确度、高灵敏度和相对局部仿真之间做出选择。选取合适的参数值即可确定所需的仿真类型。网格可动态适应流动，确保在任何时间和空间都能获得最佳网格尺寸。CFD 工程师无需担心如何改进网格细化以捕捉物理现象，联合准则和阈值已经涵盖一切。它能自动捕捉自由液面、多相流界面和其它的重要流动特征。AGR 将彻底改变传统的网格生成方式。

网格尺寸控制

修改 Hessian 阈值实现粗网格和细网格的切换

AGR 参数直接影响网格的细化程度。例如，在上面的二维水翼模型中，可以改变 Hessian 阈值，在相对粗糙的网格和非常精细的网格之间切换。工程师可以从一开始就选择所需的精度级别。调整 Hessian 阈值的过程就如同执行网格收敛性研究一样方便。传统网格收敛性研究需要创建从粗到细的多个网格，然后比较计算结果。但使用 AGR 功能，只需改变一个值，即可生成不同计算，无需重新划分网格。通过网格自适应（的变化）即可模拟网格收敛性研究的效果。

值得注意的是，用于仿真的理想网格不再需要事先准备，因为它本来就是仿真结果输出的一部分。

AGR 对粘性层的积极影响

在生成理想网格时，创建粗网格有很多优点。其一是便于在 Fidelity Hexpress 中插入所需的参数值，同时可利用膨胀技术进行微调，确保与远场网格的平滑过渡。这种技术也保证了创建纯六面体网格的可能性。

不过，粗网格也有一个缺点。如左图所示，非常密集的面网格加密会压缩粘性层，导致边界层厚度减少。另一方面，右图显示的是为 AGR 生成的更粗的网格，边界层的厚度要大得多。这种粗网格还能在粘性层内创建大范围区域，其中的单元格沿几何表面方向排列。通过观察右侧的网格，我们已经可以预知这样生成的网格精度会更高。

高密度的面网格细化会压缩粘性层厚度

粗网格创建

为了更好地理解 AGR 如何改变网格的生成方式，我们来看一个 3D 例子。这个实例中，我们不需要应用体细化，因为 AGR 已经可以做到这一点。这样一来就无需进行细化，AGR 可以自动接管细化过程，从而生成经济高效的网格。左边图片显示的是经典网格，右边图片显示的是被 AGR 粗化过的同一网格，可以证明 AGR 提供的网格非常健壮，可信度很高。

使用 AGR 实现从经典网格到粗化网格的转换

总结

AGR 为 CFD 工程师提供了全新的工作流程，既简化了网格划分工作，又在单元数量与计算精度之间实现了很好的平衡。通过支持创建粗化网格并通过仿真获得理想网格，AGR 可以轻松进行非定常情况下的网格收敛性研究。AGR 为实现更高的自动化水平铺平了道路，无需太多的技能和专业知识即可实现很高的健壮性和可信度。