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FLOW-3D 在造船工業的應用

文:宋孔慶

 造船工業雖非先進技術的工業,然而隨著科技的日新月異和電腦軟硬體技術的不斷提昇,使得更經濟與準確的設計分析方法成為可能。
 FLOW-3D 擁有最完整的 Volume of Fluid (VOF) 自由液面描述與追蹤計算技術,並且進一步發展出更準確的 TruVOF 方法;這些演算法已經在許多產業界與實際應用上被證實能夠精準預測流體行為。

圖一 . FLOW-3D 的應用實例

 傳統水力工程試驗模型的設備與做法,如今可以被虛擬的 3D 模擬方式所取代。藉著 FLOW-3D 高準確度的分析模擬能力以及解決多樣化問題的彈性,可以將船體模型分析的過程提升到另一個境界,甚至許多以往不可能納入設計考量的狀況,現在都可以利用電腦模擬的方式得到具參考價值的答案。

船殼設計
船殼週遭的流動資訊,對設計者來說是至關重要的;有許多資料像是水流的拖曳阻力、推進器附近的水流速與壓力等,這些都可以經由 FLOW-3D 的模擬得到非常有用的資訊。

圖二 . FLOW-3D 的移動物體 (General Moving Object, GMO) 模型可以完整地模擬船體與海面的耦合運動


圖三 . GMO 模型允許使用力或力矩帶動船體的運行


搖晃運動
對遠洋航運來說,搖晃造成船體內部流體(燃料、貨物等)的運動是影響重大的;這些流體的激烈流動會對船體的承載系統甚至整個船隻的重心造成可觀的破壞,對設計者而言亦是不可忽略的考慮因素。

圖四 . FLOW-3D 的 Non-Inertial Reference Frame 模型可設定複雜的運動參數以準確地追蹤容器內流體的運動


圖五 . 加速運動的容器中流體的運動與壓力變化



波浪沖擊
海面上各種原因造成的波浪,例如風暴、洋流、颶風、地震甚至其他大型船隻的近處通過等,都應該被考慮在設計中。同樣的作用力也會施加在其他海中構造物上,例如海上鑽油平台。這些結構體需要在多變的海洋環境中抵抗各種波浪的衝擊。

圖六 . 模擬流體衝擊船體等結構物

FLOW-3D 可以經由改寫邊界條件函式產生各種真實狀況下的波浪型態,藉以預測出各種因素所形成的波浪對結構體的作用力與分佈。

圖七 . 鄰近大型船隻通過造成波浪衝擊的影響


結語
時至今日,數值運算求解、 3D 動畫彩現展示、和虛擬真實的技術仍在不斷精進,這些發展都為數值分析運算工具的進展注入了無限的可能性。