STAR-CCM+设计世界上最大的船翼！甲骨文得美洲杯冠军！

ivycfd

【最新消息：2010年 2月14日，第33届美洲杯帆船赛落下帷幕，BMW ORACLE（甲骨文队）独特的帆翼设计和技术运用，完美地演绎了空气动力学和流体力学在帆船设计中势不可挡的绝对优势！不负众望，遥遥领先！最终夺得第33届美洲杯冠军！】

(2010.1.28)：在西班牙风景如画的巴伦西亚港，BMW ORACLE大赛东道主Russell Coutts将使用具有最尖端技术、希望也是速度最快的赛艇来争夺本次33届美洲杯冠军的位置。这艘以"trimaran"命名的赛艇（意为USA）最夺目的是驱动它的那面巨大的帆，与传统的帆截然不同。正如BMW甲骨文队大赛设计总监Mike Drummond [MD] 描述道：“这样规模的帆从未用于船的设计当中。单从尺寸而言，和它相比，那些现代飞机上的采用机翼已经算是非常渺小了。巨帆高出甲板约190英尺（57米），为波音747飞机机翼的180%＂。

来自CD-adapco的Anthony Massobrio[AM]的独家采访中，BMW甲骨文队的CFD负责人Mario Caponnetto解释了如何运用Star-CCM+对巨帆的空气动力学设计进行优化，并且成本控制在传统风洞试验的经费之内。

采访内容：
[AM] 为什么您的“trimaran”上采用这样一个坚硬的船帆，而不采用传统的船帆呢？这是不是一次全新的冒险举动呢？

[MC] 坚硬的帆在游艇比赛中并非是第一次使用。在高性能双体船以及其他种类的船艇比赛中已经出现好多年了。在1987年的美洲杯中，观众第一次目睹了这种坚硬船帆。而我们设计的尺寸才真正是一次全新的尝试。这只超过甲板57米的船帆，比747飞机机翼还要大80%，是目前出现过的最大的帆。我们中没有人曾经设计过这样巨大的帆翼，这当时的确使我们感到担忧。从一片空白开始，我们投票表决，最后决定将我们的想法实现！这项工程的完成还要多亏我们的首席设计师Mike Drummond.








[AM] 和传统帆相比，这样的硬帆有什么优缺点呢？

[MC] 它最主要的优点是形体的保持能力。换句话说，对于一样的来风入射角和风速，船帆有一个最优的几何形状，从而获得最优化的空动压力区。这使得船体能获得同等风量中最大的驱动力，也就是效率最高。从结构的角度看，传统船帆的材料像一层薄膜，对于形体的保持是很困难的。有些特殊的形状无法实现，最终只能采用折衷的结果。而对于硬质帆，形体不必折衷，便可轻易地做到。而且，在航行中，原设计的形状和最终在风力影响下达到的形状之间总会有些差异，然而对于传统船帆而言，航行中确定其形状本身就是个难题。

[AM] 那么，我估计这个硬质帆在重量上总有它的缺陷吧？

[MC] 恐怕也不能这么说。传统的船帆仅能承受牵引力，而不能承载弯力。而我们的具有一定的厚度，能够将载荷分布于帆翼两面，最终使得它非常轻便。总而言之，硬质帆的重量和传统桅帆系统是不相上下的。将船帆横过来看，我们可以将其当成一根中心承受重量（风压）的绳子，如果想尽量避免它下垂，势必要增加张力，因此必须增加它的厚度和重量来防止断裂。但是如果我们用一根悬臂梁来代替绳子，要达到同样的形变，结构本身的重量就可以小很多了。我们很容易想到，要想张紧一面传统帆需要很大的力，甚至使得船体结构也需要承受一定的载荷。然而对于硬质帆，一根手指的力足以控制……

[AM] 那么硬质帆在空气动力学上有什么优势呢？

[MC] 这又要说到上面提及的形体保持能力了，这可以很大程度上获得驱动力且减少阻力。为了做到这一点，我们的帆设计由一个前端可转动的部件以及八个可独立转动的副翼组成。这样做能够改变竖直方向上的空动载荷，在每个副翼和前端部件之间都有一个狭缝，有利于帆翼两侧的空气流动，这样可以延缓失速的发生，从而大幅度增加最大驱动力。实际上，就算在很小的风力下，我们的帆也可以将“trimaran”中心船体提离水面，减少阻力，即使它的侧面面积连传统船帆的一半还不到。相比较传统帆而言，它的横向截面更具有空气动力学特性。一面帆的效率在某个来风入射角下最高，大约为与锋面相切方向。若比这个角度大或者小，帆翼表面便会趋向于脱流，从而降低了帆的工效。而硬质帆具有圆润的迎风部件，能适应于更广的来风入射角。即使在很小的入射情况下，硬质帆仍然能产生驱动力推动船体，而一般的帆便会像面旗子一样摆动，失去效用。在实际操作中，特别在变换航向的时候，这是一个明显的优势，是使我们的水手们受益最大的优点之一。

[AM] 请问你们是如何开发这个帆翼的？

[MC] 这具帆翼的设计仅仅在数月内便在室内诞生了。身兼空气动力学、结构、电子、船舶工程师的Joseph Ozanne为项目领队。整个空气动力学设计完全基于数值模拟仿真，而未涉及空洞实验。CFD相关工作则由Francis Hueber和我负责。在很短时间内，帆翼的优化设计工作借助于我们的合作伙伴CD-adapco公司出品的CFD软件Star-CCM+的帮助，在远程超级计算机上完成。
对于我们的工作而言，CFD软件对于帆翼在流体中的情形以及失速现象的预测能力是非常重要的，接着我们会用试航来验证这些预测准确与否。此外，我们建立了一个数据库，将所有可能风力环境下的最优的帆翼形状都包含在内。数据库存储在船上，用于在任何时刻优化帆翼工效。
在第一次试航时，使我们感触最深的是相比较传统船帆而言的更好的帆翼性能。因此，在我们圣地亚哥基地的最后试验阶段，我们决定就用这个巨帆参加下一届美洲杯大赛。因为这将代表我们这个项目的精华所在。

[AM] 您能给我们详细阐述一下空气动力学仿真方面的信息吗？

[MC] Star-CCM+ 是基于有限体积法的CFD软件。这并不是最新颖的，它的理论可以在很多教科书里找得到。我们感兴趣的是它的实际功效。
首先，我们利用了CD-adapco软件的“客户伺服器”构架。我们可以运用位于意大利的远程超级计算机设备。当我们坐在巴伦西亚或者圣地亚哥办公室里，我们仍然可以实时监控在远程计算机上仿真的运行情况。这要归功于一个微型客户端，或者说成是一个具有Java界面和C++服务器的客户终端，或者超级计算机集群。
其次，当然是Star-CCM+能胜任于超级计算机集群的能力。例如能够使用多核进行并行计算。当空气动力学计算网格数达到数百万计时，这个能力是非常必要的。
第三个成功的要素是计算过程的自动化。Star-CCM+不但包括一个CFD仿真核心（运算器）以外，还拥有所有的前处理功能（包括建立计算域网格）和后处理功能。这意味着我们在建立一个完整的工作流程之后的每一次优化设计，只需要不断地执行这个流程即可。

[AM] 那么CFD仅仅是局限给少数人使用的一个工具了？

[MC] 诸如美洲杯或者F1比赛，需要一个极大的精确度，这在工程领域上是个极限，而且其优化设计所需要的如空气动力学阻力等数值的敏感度有可能比大规模生产的船车要高几个数量级。我认为在工业领域，美洲杯将一如既往地成为衡量那些可以运用在常规设计室中小型计算机甚至是个人电脑上的CFD软件最好的标准之一。如今，所有工业领域内的CFD计算都应该趋于自动化，然而美洲杯将这些CFD软件的应用推向了极致，无论是从物理现象、计算域网格数量，或是硬件设施上来说。美洲杯为Star-CCM+开发者们，CD-adapco和诸如美洲杯或F1大赛中的CFD团队提供了回馈，这也会给其他领域带来益处。
比如说，我们来比较评估几种不同的湍流模型，从标准的k-e模型到k-wSST模型，再到几乎是直接仿真的LES模型，对于重复性较大的汽车、船舶领域内的仿真分析，仅仅k-e和k-w就足以成为日常使用的模型了。

[AM] 您可以向大家透露一些您在CFD工作中使用的一些小窍门和技巧么？

[MC] 我所使用的技巧便是Star-CCM+的自动网格划分技术。综合使用任意的、正多面体和正交的trimmed网格。究竟该使用哪一种网格并没有硬性的规定。多面体对于研究涡流现象可能更加合适，而正交trimmed网格可能更适用于流动方向已知的情况下。但这两种网格的划分都采用了对于边界层效应的特别处理技术。

[AM] 说到试航，你们的水手有没有什么变化？

[MC] 很多变化！不用说美洲杯的水手是最棒的。特别要说到工匠师门，他们终生都在运用智慧和经验来提高敏感度，来赋予帆翼以“生命”。还有工程师们（他们都是游艇的业余爱好者）要求真正的船员懂得理解我们的图表，而非仅靠直觉……刚开始这是很不容易的，但经过实践我们的想法之后，他们都成为了最坚定地支持者。水手们曾经问过设计师，为什么这个帆要比另一个好，CFD的可视化功能向他们完美地解释了设计师的意图。
我觉得高技术含量的体育运动对于寻找工程师和运动员之间的共同话题是非常重要的，于是CFD就成为了这样一个非常棒的交流工具。

[AM] 那么，你预计本届美洲杯的结果会如何呢？

[MC] 这很难讲。由于气象的不可预见性，任何情况都有可能发生，况且各个船的区别也很大。我们的对手在看到我们的设计之后也进行了改进，他们做的也很好。比如他们觉得引擎可以替代arm’s force和可移动的压载物。我们也根据新规则改进了我们的船。所幸的是，没有太多时间了。这次美洲杯将在2010年2月于巴伦西亚举行。

[AM] Caponnetto先生我们祝您和您的团队在比赛中好运！谢谢您接受采访！


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Background material of The Boat:
A team of over 30 designers and scientists are responsible for the innovative design of BMW ORACLE’s giant trimaran, led by Design Director Mike Drummond and Design Coordinator Ian ‘Fresh’ Burns.

With almost 150,000 man-hours of build time, under the direction of Mark Turner and Tim Smyth, the trimaran offers the option of sailing with a conventional mast and soft sails, or with a massive wing sail which towers over 220 feet (68 metres) above the deck. The wing sail is over twice as big as the wing of a Boeing 747 airplane and is the largest wing sail ever fitted to a sailing boat. It was unveiled on November 8th and is comprised of a main element with nine flaps. It is constructed from aeronautical film over a lightweight, carbon-kevlar structure.

On August 22nd 2008, the 90ft trimaran was unveiled at the team’s build facility in Anacortes, WA (USA) and it was launched three days later for sea trials and testing. On January 4th 2010, BMW ORACLE Racing’s Cup boat arrived in Valencia and on January 19th, USA sailed on Valencian waters for the first time.(end)

[ 本帖最后由 ivycfd 于 2010-2-24 06:28 编辑 ]