Volupe logo

Blog berichten Volupe

Marine FSI

Hoe groter de onzekerheid, hoe behoudender het ontwerp. Het elimineren van onzekerheden maakt het mogelijk producten te ontwikkelen die veilig zijn, maar niet al te conservatief in hun ontwerp. Daarom is het belangrijk om fluid belastingen op constructies te berekenen, in plaats van er zeer onzekere aannames over te doen. Gelukkig Simcenter STAR-CCM+ wordt geleverd met een geïntegreerde soldeerspanningsoplosser, waardoor het eenvoudig is om uw stromingssimulatie te verbinden met eindige elementen analyse.

Mijn collega Christoffer beschreef Het opzetten van een FSI-simulatie in Simcenter STAR-CCM+ met een flexibele solid die op een muur stuitert in een Fluid Structure Interaction (FSI) met overset mesh setup. Gewoon om je gedachten op te frissen,

  • "FSI is wanneer je een in twee richtingen gekoppelde interactie hebt tussen een solid domain en een fluid domain. De druk op het grensvlak tussen fluid en de constructie wordt berekend door het fluid-model, overgebracht naar het constructiemodel en toegepast als drukbelasting".

Simcenter STAR-CCM+ biedt:

  • Expliciete koppeling van de modellen (gegevensuitwisseling vindt eens in de x tijdseenheden plaats)
  • Iteratieve koppeling van de modellen (gegevensuitwisseling vindt meerdere malen per tijdstap plaats)
  • Voor iteratieve koppeling zijn er oplossingsstabilisatiemethoden beschikbaar, waaronder extra massa-conditionering en onder-relaxatie van de verplaatsing
De animatie rechts toont een animatie van een FSI benchmark (European Conference on Computational Fluid Dynamics ECCOMAS CFD 2006, EXPERIMENTAL STUDY ON A TWO-DIMENSIONAL FLUID-STRUCTURE INTERACTION REFERENCE TEST CASE, Hermann Lienhart, Jorge Pereira Gomes). De simulatie werd volledig uitgevoerd in Simcenter STAR-CCM+ in één enkele simulatie (geen co-simulatie).

 

Om het pad op FSI te volgen, dit blog artikel behandelt FSI voor Marine Propeller Simulatie. Manly simulations die complexe geometrie en gesuperponeerde beweging van de propeller bewegende als gevolg van vervorming en rotatie te betrekken. De test case is de Potsdam Propeller Test Case die beschikbaar is onder Simcenter STAR-CCM+´s tutorial files. In Automatisering van scheepsschroefsimulatie Ik beschrijf hoe de beste praktijk voor starre-lichaam bewegingssimulatie kan worden geautomatiseerd, waarbij ook een FSI-koppeling mogelijk is.

Algemene instelling

Starijdens een ongekoppelde opstelling met een volledig gedefinieerd fluid en solid domein, kunt u met Simcenter STAR-CCM+ een algemene FSI analyse definiëren die rekening houdt met twee-weg koppeling. Dit betekent dat we kunnen uitgaan van de eindresultaten van de MRF-tutorial over de scheepsschroef in open water en de volledig ontwikkelde stroming kunnen gebruiken. Maar dat betekent ook dat we een tweede solid domain van onze propeller nodig hebben. STAR biedt dan een oplossingsstrategie met 4 hoofdcomponenten:

  • Uitwisseling van koppelingsgegevens (1-weg of 2-weg koppeling)
  • Gegevensoverdracht
  • Overeenstemmingen
  • Stabilisatie van de oplossing

Gegevensoverdracht

De informatie die van de fluid naar de vaste stof stroomt, is de fluid-tractie. De fluid tractie wordt automatisch geïnterpoleerd van de fluid zijde van de interface naar de solid zijde waar het als een belasting wordt toegepast. Om het verlies van informatie tijdens de interpolatiestap te vermijden, wordt u aangeraden een vergelijkbare maasresolutie toepassen aan beide zijden van de interface. Het interpolatieschema ondersteunt conforme en niet-conforme interfaces die u maakt op basis van Zwak in-plaats Contact of gewoon door een Afdruk operatie aan het begin van je mesh operaties.

Vervolgens hebben we een fysisch continuüm nodig voor de massieve propeller. Wat u in essentie nodig heeft is het Solid Stress model en de materiaal- en materiaalwetmodellen. STAR kan Iso-, Aniso- en Ortho-tropisch materiaal modelleren, evenals Lineaire Elasticiteit en Plasticiteit. Maar de PPTC zou goed moeten zijn met Isotroop materiaal.

Wanneer de nieuwe regio is toegewezen aan de massieve propeller kunnen we de Interface voor de Gegevensoverdracht maken van de contacten (zie boven).

Consistentie

In het algemeen is de krachtconsistentie een belangrijk onderdeel van een VVI-simulatie. Dit wordt bereikt door Consistentie van frames - wat betekent dat beide regio's hetzelfde referentiekader moeten gebruiken.

En Consistentie van de interfacevervorming - wat betekent dat het net aan beide zijden van het raakvlak op dezelfde manier moet vervormen. Het belangrijkste ingrediënt om deze propeller FSI werkend te krijgen is de mogelijkheid om bewegingen te superponeren. In transient simulations kunt u starre rotaties en vertalingen van de vaste structuur modelleren door overeenkomstige netbewegingen voor te schrijven. Bij het berekenen van de solid-verplaatsingen houdt Simcenter STAR-CCM+ rekening met de elastische vervorming als gevolg van de traagheidskrachten die ontstaan door versnelling van de solid-structuur. Met de Superposing Motions kunt u meer starre bewegingen toevoegen aan Translation en Rotation bewegingen, zodat onze propeller kan draaien en vervormen als gevolg van fluid belastingen.

Naast de eis van consistentie over het grensvlak, moet men zich ervan bewust zijn dat de vervorming van het grensvlak direct gekoppeld is aan de overdracht van informatie van de vaste stof naar de fluid. Vanwege deze afhankelijkheid is er geen expliciete optie om de koppeling van de vaste stof naar de fluid in te schakelen. In plaats daarvan wordt de koppeling van de vaste stof naar de fluid impliciet gecontroleerd door de beweging van de vaste stof. Om deze reden is de FSI Koppelingsspecificatie op de grens van de fluid regio een alleen lezen eigenschap en wordt beheerst door de beweging van het gekoppelde vaste gebied.

Voor ons propeller geval betekent dit dat we een nieuwe Motions:

  1. Rotatie
  2. Rotatie -> Massieve verplaatsing
  3. Morphing

De massieve propeller wordt toegewezen met Rotation -> Solid Displacement Motion in Motion Specification. Terwijl het Fluid propellergebied de Morphing krijgt om de Solid verplaatsing over te nemen. De rotatie van de fluid propeller wordt uiteindelijk toegewezen aan elke grens in Fysica > Stijve grensbeweging van de vervormer > Stijve beweging. Dit geldt zelfs voor de interne interface-grens tussen de statische en roterende gebieden. De Morpher stijve grensbeweging wordt echter alleen beschikbaar door het instellen van de Morpher Specificatie naar Verplaatsing op de overeenkomstige grens. De randvertices worden met een gespecificeerde afstand verplaatst. In ons geval voegt Increment lineaire verplaatsing van randvertices toe ten opzichte van de vertexposities van de vorige tijdstap of iteratie. Er zijn verschillende soorten verplaatsingen beschikbaar in Morpher Verplaatsingsspecificatie knooppunt, waaruit u verdere opties kunt kiezen voor het verplaatsen van de grensvertices.

 

Stabilisatie van de oplossing

Stel de oplossers in volgens de beste praktijk. Kies bijvoorbeeld voor een impliciete ongestage oplossing een voldoende grote tijdstap. Begin eventueel met een vervroeging van 5 graden per tijdstap na de stroming ontwikkeld met MRF propeller. Voor de Fluid Structure Coupling biedt Simcenter STAR-CCM+ twee verschillende methoden voor oplossingsstabilisatie - Grensvlak toegevoegde massa en Constante verplaatsing Onder-relaxatie. Beide methoden zijn alleen beschikbaar voor transiënte gevallen.

Het doel van de grensvlakmassa is de prestaties van de FSI-simulatie te verbeteren door de fluid-trekkrachten te voorspellen die het gevolg zijn van de verandering van de positie van het grensvlak. Aangenomen wordt dat een bepaald volume van fluid beweegt met het grensvlak van het FSI dat als een toegevoegde massa fungeert. Deze methode wordt aanbevolen voor in twee richtingen gekoppelde problemen.

 

Eenrichtings koppeling tussen vloeistof en structuur

De eenvoudigste manier om de hierboven beschreven opstelling te ontkoppelen zou zijn om de Bewegingsspecificatie te veranderen van Morphing in Rotation. Op deze manier evalueren we nog steeds de spanning van de fluid belasting door de solver voor vaste spanning, maar koppelen we de vervorming niet terug. Dit vereist echter nog steeds de berekening van belastingen bij elke tijdstap.

Een andere efficiëntere optie zou zijn om de fluid en de constructie sequentieel op te lossen in plaats van gelijktijdig. Deze aanpak maakt het mogelijk om een voorbijgaande stromingsoplossing op te nemen en de opgenomen fluid belastingen, opgenomen in een simulatiehistoriebestand, te hergebruiken in meerdere spanningsanalyses zonder de stromingsoplosser opnieuw uit te voeren.

Resultaten

De opzet van de PPTC-tutorial kan worden omgezet in een FSI-simulatie in twee richtingen, ook al is het algemene concept van een ongestage FSI voor een open-water-analyse tamelijk zinloos. U krijgt het idee om de ontwikkelde stroming als uitgangspunt te gebruiken. De meest voorkomende problemen die zich kunnen voordoen, houden waarschijnlijk verband met een ontoereikend raakvlak als gevolg van te verschillende mesh-resoluties tussen de vaste stof en de fluid-weergave. De simulatie kan echter ook worden uitgevoerd zonder MRF-initialisatie. Op deze manier kunt u de analyse automatiseren op verschillende bedieningspunten, zoals te zien is in de video hieronder.

 

Bij vergelijking van de resultaten tussen 1-weg en 2-weg koppel FSI zien we een verschil van 6% verplaatsingsmagnitude en minder dan 2% in KT en maximale von Mises Stress. Vergelijking van de 2-weg FSI resultaten met de experimenten en zuivere fluid analyse tonen zeer weinig verschil en ook dit is niet bedoeld als een gekwantificeerde vergelijking.

 

De geïntegreerde FSI-opstelling in Simcenter STAR-CCM+ stelt ons in staat de prestaties te voorspellen van systemen of componenten die worden blootgesteld aan fluid-stroming, hetgeen van essentieel belang is voor de innovatie van dergelijke producten. Een ander voorbeeld kan de hydrofolie van een catamaran zijn die de catamaran uit het water tilt, zodat de catamaran met minder weerstand door het water kan glijden. De fluid belastingen die op de folie werken, zullen deze vervormen, en dat zal gevolgen hebben voor de prestaties van de folie. Daarom is het modelleren van de fluid-structuur interactie essentieel voor innovatie en geeft u meer inzicht in uw ontwerp.

De Auteur

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

 

 

 

Meer blogberichten

nl_BEDutch