on von Strömung Milovan Perić CD-adapco Nürnberg Office

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1 Gekoppelte Simulatio on von Strömung und Bewegung umströmter Körper Milovan Perić CD-adapco Nürnberg Office cd-a adapco.comcom

2 Inhalt Gekoppelte Simulation von Strömung und strömungsbedingter Bewegung umströmter Körper Adaption des Gitters zu Körperb bewegung Verbundene Körper, deformierbare Körper Externe Kräfte: Verankerung, Schub- bzw. Schleppkraft Anwendungsbeispiele: i Bestimmung der Schwimmlage Schiffsbewegung in Wellen, Slamming und Sloshing Retungsboote im Einsatz...

3 Strömungsberechnung Finite-Volumen-Methode Bewegliche Kontrollvolumina Approximationen bis zu zweit er Ordnung ng für Flächen-, Volumen- und Zeitintegrale (KV) beliebiger Form Interpolation ti zwischen den Rechenknoten (Zellmittelpunkte) Ableitungen in Rechenknotenn und an den KV-Rändern Modellierung von freien Oberflächen (VOF-Methode) Turbulenzmodelle gemäß Sta and der Technik...

4 Bewegung schwimmender Körper, I Bewegung eines Körpers wird durch 6 Freiheitsgrade (lineare und Rotationsbeweg ti gung) )beschrieben... hi b Auf der Oberfläche eines schwimmenden Körpers wirken strömungsbedingt Druck- und Reibungskräfte...

5 Bewegung schwimmender Körper, II Die Zusatzmasse (added mass) und Wellenwiderstand sind künstliche Begriffe sie werden bei vereinfachten Berechnungen der Körperbewegung gebraucht... Bei einer gekoppelten Berechnung der Strömung und der Körperbewegung sind alle Effekte in den Druck- und Reibungskräften enthalten... Zusätzlich müssen Volumenkräfte und externe Kräfte berücksichtigt t werden: Kräfte: Momente:

6 Bewegung schwimmender Körper, III Trägheitsmomente können in jedem Zeitschritt im ortsfesten Koordinatensystem berechnet werden: Meistens werden sie aus dem körperfesten Koordinaten- system transformiert (Annahme: keine Verformung)... Die Bewegungsgleichungen für den Körper müssen zweimal integriert werden, um die neue Position zu bestimmen... Die Trapezregel ist eine geeignete Integrationsmethode 2. Ordnung...

7 Bewegung schwimmender Körper, IV Beispiel für lineare Bewegu ung: 1. Integrationsschritt: ti itt 2. Integrationsschritt:

8 Bewegung schwimmender Körper, V Dieselbe Methode kann zur Bestimmung der neuen Winkelgeschwindigkeiten ein ngesetzt werden: Aus neuen linearen Verschiebungen und Änderungen der Winkelgeschwindigkeit g wird die neue Lage des Körpers bestimmt. Eine orthogonale Transformationsmatrix wird benutzt, um die neuen Koordinaten aller Gitterpunkte zu bestimmen... Dies garantiert, dass das lokale (körperfeste) Koordi- natensystem orthogonal blei ibt (weniger empfindlich auf Rundungsfehler). Alternativ kann man die Euler-Winkel berechnen und das Gitter drehen...

9 Bewegung schwimmender Körper, VI Unterrelaxation ist wichtig, besonders wenn die effektive Dichte des Körpers niedrig im Vergleich zum Fluid ist... Man kann dieselbe Method e wie bei der Strömungs- berechnung verwenden... Die Unterrelaxation wirkt wi ie eine Zusatzmasse: Die Beziehung zwischen dem Unterrelaxationsparameter und der Zusatzmasse:

10 Lösungsalgorithmus Nexter Zeitschritt Innere Iterationen Ze eitschritte e Äuß ßere Itera ationen Aktualisiere Geschw. Aktualisiere Druck Aktualisiere Ska alare Aktualisiere Volume Bew frac wegung ction Gitteranpassung Lineare Gleichungslöser Fluideigenschaf ften Konvergiert?

11 Gitteranpassung Die größte Schwierigkeit stellt die Anpassung des Gitters an die neue Körperlage dar.... Mehrere Optionen stehen zur Verfügung, g, z.b.: Bewegung des ganzen Gitters mit dem Körper (verwendbar bei einem Körper in unendlicher Umgebung g ohne Wellen); Translation des ganzen Gitters und Rotation mit dem Körper nur von einem Teilgit tter, dass in einem Zylinder oder einer Kugel eingebettett ist (gleitende Gitter); Gitteranpassung ohne Topologieänderung (Morphing), verbunden mit Ersatz des Gitters wenn die Qualität nachlässt; Überlappende Gitter (größte Flexibilität).

12 Gitter mit gleitenden Interfaces Gitter bewegt sich nur in vertikale Richtung Gitter rotiert zusätzlich mit dem Körper

13 Gitteranpassung (Morphing) Beispiel für die Anpassung des Gitters an einen beweglichen Körper

14 Überlappende Gitter Beispiel für die Anwendung von überlappenden Gittern zur Simulation von Strömung und Bewegung eines Schiffes mit zwei Tanks

15 Bestimmung der Schwimmlage Courtesy of Voith Turbo Schneider Propulsion GmbH & Co. KG 9 kn 11 kn 13 kn 15 kn

16 Bewegliche Ladung, deformierbarer Körper Wenn die Ladung beweglich ist (z.b. Flüssigkeit in Tanks), ändern sich die ganze Zeit: die Lage des Schwerpunkts, die Trägheitsmomente. t In solchen Fällen sollten die Bewegung der Ladung, die Bewegung des Schiffes und die Schiffsumströmung gekoppelt berechnet werden. Oft muss die Deformation de er Struktur ebenfalls gekoppelt mit o.g. Phenomänen berechnet werden... Meistens können die Änderu ung (Schwerpunktlage, Trägheits- vernachlässigt werden... Ebenfalls kann oft die Defor mation auf vereinfachte Weise momente) wegen der Deformation berücksichtigt werden (z.b. als Balkenmodell)...

17 Bewegliche Ladung, II

18 Verbundene Körper Wenn mehrere, verbundene Körper betrachtet werden, müssen verschiedene Beding gungen berücksichtigt werden: Bei starren Verbindungen bestehen ggf. Rotations- freiheitsgrade, sonst ist der Abstand konstant; Bei flexiblen, nicht dehnbaren Verbindungen: Ist der Abstand zwischen den Verbindungspunkten kürzer als die Leine, schwimmen die Körper frei sonst muss der Abstand konstant gehalten werden; Bei federartigen Verbindun ngen: die Feder kann eine Kraft in beide Richtungen ausüben oder ab einem Mindestabstand kraftlos sein. Bei Ketten und ähnlichen Verankerungen müssen die Kräfte im Verankerungspunkt durch Kopplung mit einer separaten Berechnung der Kettenform bestimmt werden...

19 Verbundene Körper Zwei Kugeln, verbunden mit Federn

20 Platform in Wellen, I 3D Simulation: Eine Platform in Wellen; je eine vertikale und eine horizontale Feder greifen in den unteren linken und rechten Ecken und simulieren die Verankerung...

21 Platform in Wellen, II 2D Simulation: Eine Platform in Welle en; je eine vertikale und eine horizontale Feder greifen in der unteren linken und rechten Ecke und simulieren die Verankerung mit 5 mal stärkeren Federn als im vorherigen Beispiel...

22 Überlagerte Bewegungen Oft müssen mehrere Bewegungen berücksichtigt werden: Das Schiff bewegt relativ zum ortsfesten Koordinatensystem; Das Propeller rotiert um einee Achse, die sich mit dem Schiff bewegt; Propellerflügel bewegen sich um ihre eigene Achse, die sich mit dem Propeller bewegt (z.b. Voith-Schneider-Proprller). h id Automatische Berücksichtigung...

23 Rettungsbooteinsatz, I Courtesy of Prof. Hans Jørgen Mørch, CFD Marin, and Norsafe AS

24 Rettungsbooteinsatz, II Vergleich von berechneten und gemessenen Beschleunigungen im vorderen (links) und im hinteren (rechts) Teil des Rettungsbootes. Maßstab im Experiment:1:4. Simulation des vollbeladenen Zustands plus 10 t Ballast. Startpunkt 36 m über Wasser, Rampneigung 35. Eintritt ins glatte Wasser. Ein relativ grobes Gitter mit ca Zellen wurde verwendet.

25 Rettungsbooteinsatz, III

26 Rettungsbooteinsatz, IV Kartesisches Hintergrundgitter Polyedergitter um das Rettungsboot

27 Rettungsbooteinsatz, V Untersuchung des Einflusses des Ein ntreffpunktes auf der Welle und der Richtung der Wellenausbreitung beim freien Fall aus 30 m Höhe...

28 50 ms dazwischen 250 ms dazwischen

29 Rettungsboot in Wellen

30 Rettungsbooteinsatz, VI Einfluss der Gitterfeinheit auf die vorhergesagte Beschleunigungen während der kritischen Phase des Wassereintritts: itt grobes Gitter hatte 0,42 und das feine 1,11 Millionen Zellen.

31 Rettungsbooteinsatz, VII Vertikale Beschleunigung als Funkt tion des Eintreffpunktes, folgende Welle

32 Rettungsbooteinsatz, VIII Druck an einer Stelle als Funktion des Eintreffpunktes, folgende Welle

33 Zusammenfassung und Ausblick Simulation der Schiffsbewegung im Seegang, gekoppelt mit Lösung der RANS-Gleich hungen, ist oft notwendig, da die Potentialtheorie viele Effekte nicht erfassen kann... Eine Kopplung mit der Berechnung der Deformation des Schiffes ist oft notwendig, da sonst die Spitzen in Stoßlasten nicht erfasst werden (GL ist der Vorreiter auf diesem Gebiet)... Untersuchung des ganzen S ystems (Schiff, Propeller, Ruder und sonstige Anhänge) ist oft entscheidend... Simulation gewinnt an Bedeu utung, da sie im frühen Entwurfsstadium eingesetzt werden kann..