Blog berichten Volupe

Hoe zelfaandrijving voor de scheepvaart te sjabloneren

Met de mogelijkheid om de scheepsweerstand en het zogveld te simuleren, krijgen scheepsarchitecten toegang tot gedetailleerd stromingsgedrag. Toch kunnen we alleen samen met simulatie van zelfaandrijving de aandrijfprestaties van schepen op ware grootte volledig voorspellen. We kunnen de snelheid voorspellen waarmee een scheepsromp door het water beweegt in reactie op de stuwkracht geleverd door een draaiende schroef, of bepalen welke schroef snelheid nodig is om weerstand en stuwkracht in evenwicht te houden bij een voorgeschreven sleepsnelheid. Simcenter STAR-CCM+ biedt een methode waarmee u de snelheden kunt voorspellen:

  1. De eenvoudigste benadering is de propeller te modelleren als een momentum bron in een cilindrisch gebied dat de propellerschijf voorstelt, met een aandrijfkracht.
  2. Virtuele Schijf: Dit model genereert automatisch een impulsbron op basis van enkele geometrische parameters en een prestatiecurve van de propeller.
  3. Indien een simulatie met hogere getrouwheid nodig is, kan het gemiddelde effect van de propeller worden gemodelleerd met behulp van de Bewegend Referentie Kader (MRF) benadering.
  4. Om rekening te houden met het volledige effect van de propeller, inclusief de mes/roer en mes/romp interacties, kunt u een stijf lichaam rotatie naar het propellerschijfgebied, zoals opgezet in de tweede benadering.

De complexiteit en de numerieke inspanning zijn opklimmend in bovenstaande lijst. Voor een algemeen overzicht van Roterende Stroom, zie Roterende stroom deel 2. Voor de implementatie van zelfaandrijving voor scheepvaarttoepassingen zullen wij ons richten op het Virtuele Schijf model. Deze Body Force Propeller methode maakt het mogelijk de interactie tussen propeller en romp te modelleren zonder de extra kosten van het modelleren van de propellergeometrie met een fijnmazig net en kleinere tijdschalen.

Dit gezegd zijnde, zullen wij in de volgende sectie de veranderingen aan het VTT model voor zelfaandrijving schetsen en beginnen met de invoering van een volumetrische maasverfijning voor respectievelijk het propellervlak en het zog. Dit is echter niet vergelijkbaar met een maaswijdte die nodig is voor de geometrie van de propeller, maar het is noodzakelijk om de extra versnelling van het stromingsveld op te lossen.

Verfijning geometrie toevoegen

Wij voegen een refinement box toe aan de Bow en Stern refinement in 3D-CAD en gebruiken dezelfde hoofddimensie voor parametrisering (Bwl) factor dimensionering. Een doosvormig raffinement is het meest geschikt voor het passen van het gestructureerde net.

We zullen ook een optie toevoegen om een initiële trim van de romp voor te schrijven (niet in de VTT template van Siemens). Dat vereist om alle verfijningen (met inbegrip van blok voor onderwaterschip) uit te breiden met maximaal 1,3 keer de diepgang.

Verfijning voor propellermodel op een romp met initiële trim

Alle toegevoegde geometrie zal door het filter glippen dat gebruikt wordt in het VTT sjabloon. Dus de nieuw aangemaakte box-verfijning moet worden toegevoegd aan Tools > Filters > ImportedVesselPart als een statisch object:

Om de verfijning toe te voegen kunnen we eenvoudig de Stern0 verfijning kopiëren, hernoemen naar Propeller0 en de aangepaste grootte halveren tot 3.125% van de basis:

Eerste trim toevoegen

Om rekening te houden met initiële trim kunnen we een Rotatie Transformatie naar de Positie Rompbediening. Als rotatiereferentie gebruiken wij een coördinatenstelsel (midscheeps) geplaatst op gemiddelde diepgang en op ${Berekening Loa}/2 in x-richting.

Kiezen van een Virtuele Schijf Model

Voor deze simulatie modelleren wij de effecten van de propeller op het schip met behulp van de lichaamskrachtpropellermethode. Deze methode behoort tot het virtuele schijfmodel.

 

Het gebruik van de virtuele schijf voor een propeller vereist dat u de volgende zaken definieert:

  • afmetingen en plaats van de schijf
  • oriëntatie van de schijfas. Deze oriëntatie bepaalt de richting van de stuwkracht. (Initiële trim moet worden opgenomen)
  • prestatiegegevens van de propeller, waarbij de stuwkrachtcoëfficiënt KT en de koppelcoëfficiënt KQ worden verstrekt als functie van de vervroegingsverhouding J
  • snelheidsvlak waarop een gemiddelde snelheid en dichtheid voor het instroomoppervlak van de virtuele schijf worden verkregen

 

Om het virtuele schijfmodel in te stellen:

  1. Klik met de rechtermuisknop op Continua > Fysica VTT > Modellen > Modellen selecteren en Virtuele Schijf toevoegen
  2. Zodra het model is toegevoegd, klikt u met de rechtermuisknop op Continua > Physics VTT > Models >Virtual Disk > Virtual Disks node en selecteert u New.
  3. Bewerk het knooppunt Virtuele Schijf en stel Methode in op Methode lichaamskracht propeller.

Voordat u de propeller kromme kunt specificeren, moet u het propeller tabel gegevensbestand (hier in .csv formaat) importeren in Simcenter STAR-CCM+.

  1. Klik met de rechtermuisknop op Extra > Tabellen en selecteer Nieuwe tabel > Bestandstabel.
  2. Navigeer naar uw Openwatergegevensblad en klik op Openen.
  3. Wijs de tabelgegevens toe aan Propeller kromme node:

Positionering van de virtuele schijf

Vervolgens moeten we de virtuele propeller positioneren en dimensioneren. De aanbevelingen voor de dimensionering van de Schijf Geometrie zijn hier en besproken worden door Siemens hier. De analyse toont een verandering in stuwkracht naarmate de eindige volume maas verfijnd wordt in het gebied rond de virtuele schijf. De verfijnde maas levert vergelijkbare resultaten op met 4 cellen over de dikte van de schijf.

 

Met name de dikte van de Virtuele Schijf moet worden overwogen omdat de VTT template Multi-Mesh Sequencing gebruikt die begint met een tamelijk grove mesh en de Virtuele Schijf zou te dun kunnen zijn bij de eerste mesh sequenties. Daarom voegen we een max() functie toe om ofwel ten minste 3 cellen over de gehele propellerschijf van 10% van de diameter op te nemen.

 

Voor de positionering voegen we een nieuwe vector invoerparameter toe voor de positie van het propellervlak volgens de conventie voor scheepsarchitecten zoals hierboven afgebeeld. Aangezien de romp gepositioneerd is en de Virtuele Schijf het coördinatensysteem van het schip moet volgen, en door de simulatie heen beweegt, moeten wij de uiteindelijke positie van het propellervlak in twee simulatiebewerkingen berekenen. Hier moeten wij ook rekening houden met de rotatie ten gevolge van de initiële trim:

Calculation_Xprop_final = -(${LCG}-(-1*${Calculation Xmin}+$${Input_Prop_Pos}[0] ))-(tan(${Input_initialTrim})*(-(${Input T}-$${Input_Prop_Pos}[2] - tan(${Input_initialTrim}) * (${Calculatie Loa}/2-(-1*${Calculatie Xmin}+$${Input_Prop_Pos}[0] ))-(tan(${Input_Prop_Pos}[0] ))*.
Calculation_Zprop_final = -(${Input T}-$${Input_Prop_Pos}[2]-tan(${Input_initialTrim})*(${Calculation Loa}/2-(-1*${Calculation Xmin}+$${Input_Prop_Pos}[0] ))

 

In de Schijf Geometrie > Normaal en coördinatenstelsel knooppunt, specificeren wij ook de verbinding met het coördinatensysteem van het schip en houden wij rekening met de initiële trim van het propellervlak.

Voor het krachtenevenwicht nemen wij aan dat het schip verondersteld wordt te werken met een vaste ontwerpsnelheid (Input Vvessel in VTT template) en dat het Virtuele Schijf model het schroef toerental kan aanpassen om het werkpunt van de schroef te bepalen. Dit betekent dat wij de stuwkracht moeten balanceren met de huidige weerstand van het schip met behulp van de volgende veldfunctie in het knooppunt Virtual Disk > Stuwkracht:

${Time} < 2.5 * ${Convective Timescale} ? ${Weerstand Totaal gemiddelde}/1/cos(${TotalPitch} - 0.0) * (${Tijd}/(2.5*${Convectieve tijdschaal})) :${Weerstand Totaal gemiddelde}/1/cos(${TotalPitch}- 0.0)

Met het Virtuele Schijfmodel op zijn plaats zijn we nu in staat om post-processing toe te voegen voor het monitoren van de werking van de propeller. Het Virtuele Schijfmodel wordt geleverd met verschillende rapporten waaruit monitoren en plots kunnen worden gemaakt, zie onderstaande afbeelding.

Voor meer visualisatie kunnen we een scalaire scène maken zoals beschreven in een instructievideo van Siemens Hoe kan ik de snelheidsvectoren visualiseren op een propellerschijfsectie die beweegt met een DFBI-lichaam?

Nabehandelingsstroom bij het propellervlak

Test

Om het nieuwe zelfaandrijvingsmodel te testen gebruiken wij een bekende rompgeometrie van de MV Regal met een willekeurige kromming in open water.

Vergelijking van de eindstand van de propeller zonder initiële trim (links) en initiële trim (rechts)

De positionering van de Virtuele Schijf wordt berekend ten opzichte van een opgegeven initiële trim. En cellen die zijn gemarkeerd voor Body Force actie worden geselecteerd afhankelijk van de mesh resolutie.

Met deze aangepaste versie van VTT-sjabloon kunt u de weerstand berekenen van zowel kale rompen als van zelfvarende schepen. We hopen dat het onderwerp van deze artikel is interessant en dat u dit kunt gebruiken om uw doelen met Simcenter STAR-CCM+ sneller te bereiken. In de bijlage vindt u de implementatie van een Self-Propulsioin template. En laat het ons weten als u vragen heeft of opmerkingen bij steun@volupe.com. 

 

De Auteur

Florian Vesting, PhD
Contact: support@volupe.com
+46 768 51 23 46

 

 

 

Meer blogberichten

nl_BEDutch