Blogginlägg Volupe

Marin FSI

Ju högre osäkerhet desto mer konservativ är utformningen. Genom att eliminera osäkerheterna kan man utveckla produkter som är säkra, men som inte är alltför konservativa i sin utformning. Därför är det viktigt att beräkna fluid-belastningar på konstruktioner snarare än att göra mycket osäkra antaganden om dem. Lyckligtvis Simcenter STAR-CCM+ har en integrerad lösare för fasta spänningar som gör det enkelt att koppla ihop flödessimulering med finita elementanalyser.

Min kollega Christoffer beskrev följande Så här ställer du in en FSI-simulering i Simcenter STAR-CCM+ med en flexibel fast kropp som studsar mot en vägg i en Fluid Structure Interaction (FSI) med överinställd nätuppsättning. Bara för att friska upp ditt sinne,

  • "FSI är när man har en dubbelriktad interaktion mellan en fast domän och en fluid-domän. Trycket vid gränssnittet mellan fluid och struktur beräknas av fluid-modellen, mappas till strukturmodellen och appliceras som en tryckbelastning."

Simcenter STAR-CCM+ erbjuder:

  • Exklusiv koppling av modellerna (datautbyte sker en gång per x tidsenheter).
  • Iterativ koppling av modellerna (datautbyte sker flera gånger per tidssteg).
  • För iterativ koppling finns metoder för stabilisering av lösningen tillgängliga, bland annat förkonditionering med tillsatt massa och underrelaxering av förskjutning.
Animationen till höger visar en animation från ett 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). Simuleringen utfördes i Simcenter STAR-CCM+ i en enda simulering (ingen samsimulering).

 

För att följa vägen om FSI, tar denna bloggartikel upp FSI för simulering av marina propellrar. Manly simulations som omfattar komplex geometri och överlagrad rörelse av propellern som rör sig på grund av deformation och rotation. Testfallet är Potsdam Propeller Test Case som finns bland Simcenter STAR-CCM+s handledningsfiler. I Automatisering av simulering av marina propellrar Jag beskriver hur man automatiserar den bästa metoden för simulering av rörelser med styva kroppar, som även kan omfatta en FSI-koppling.

Allmänt om inställningar

Star Med utgångspunkt från en okopplad uppställning med en fullt definierad fluid och fast domän kan du med Simcenter STAR-CCM+ definiera en allmän FSI-analys som tar hänsyn till tvåvägskoppling. Detta innebär att vi kan utgå från slutresultaten från MRF Marine Propeller in Open Water tutorial och använda det fullt utvecklade flödet. Men det innebär också att vi behöver en andra solid domän för vår propeller. STAR tillhandahåller då en lösningsstrategi med fyra huvudkomponenter:

  • Utbyte av kopplingsdata (1- eller 2-vägskoppling)
  • Överföring av data
  • Överensstämmelser
  • Stabilisering av lösningen

Överföring av data

Den information som flödar från fluid till fast substans är fluid-traktionen. fluid-sträckningen interpoleras automatiskt från fluid-sidan av gränssnittet till den fasta sidan där den appliceras som en belastning. För att undvika informationsförlust under interpolationssteget rekommenderas följande tillämpa en liknande maskupplösning på båda sidor av gränssnittet. Interpolationsschemat stöder konforma och icke-konforma gränssnitt som du skapar antingen från Svag kontakt på plats Kontakt eller bara genom en Tryck i början av dina nätverksoperationer.

Därefter behöver vi ett fysikkontinuum för den fasta propellern. Vad du i huvudsak behöver är Solid Stress-modellen samt material- och materiallagsmodellerna. STAR kan modellera Iso-, Aniso- och Ortho-tropisk linjär materialelasticitet samt plasticitet. Men PPTC bör fungera bra med isotropa material.

När den nya regionen har tilldelats den solida propellern kan vi skapa gränssnittet för dataöverföringen från kontakterna (se ovan).

Konsekvens

I allmänhet är kraftkonsistensen en viktig del av en FSI-simulering. Detta uppnås genom att Samstämmighet i ramarna - vilket innebär att båda regionerna måste använda samma referensram.

Och Konsekvens i gränssnittsdeformationen - vilket innebär att nätet på båda sidor av gränssnittet måste deformeras på samma sätt. Den viktigaste ingrediensen för att få denna propeller-FSI att fungera är förmågan att överlagra rörelser. I transient simulations kan man modellera stela rotationer och translationer av den fasta strukturen genom att föreskriva motsvarande nätrörelser. När man beräknar de fasta förskjutningarna tar Simcenter STAR-CCM+ hänsyn till den elastiska deformationen på grund av de tröghetskrafter som uppstår vid acceleration av den fasta strukturen. Med Superposing Motions kan du lägga till fler styva rörelser till Translation och Rotation motions så att vår propeller kan vrida sig och deformeras på grund av fluid-belastningar.

Förutom kravet på konsistens över gränssnittet ska du vara medveten om att gränssnittsdeformationen är direkt kopplad till överföringen av information från fast material till fluid. På grund av detta beroende finns det inget uttryckligt alternativ för att aktivera kopplingen från solid till fluid. Istället styrs kopplingen mellan fast material och fluid implicit av rörelsen av fast material. Av denna anledning är respektive FSI-kopplingsspecifikation vid gränssnittsgränsen för fluid-regionen en endast läsa egenskap och styrs av rörelsen i den kopplade fasta regionen.

För vårt propellerfall innebär detta att vi skapar en ny Motions:

  1. Rotation
  2. Rotation -> Flyttning av fasta föremål
  3. Morfing

Solid propellern tilldelas med Rotation -> Solid Displacement Motion i Motion Specification. Medan den flytande propellerregionen får morphing för att ta in Solid Displacement. Rotationen för fluid-propellern tilldelas slutligen följande varje gräns i Fysik > Morpher Rigid Boundary Motion > Rigid Motion. Detta gäller även för den interna gränssnittsgränsen mellan de statiska och roterande regionerna. Morpher Ridgid Boundary Motion blir dock endast tillgänglig genom att ställa in Specifikation av Morpher till Förskjutning vid den motsvarande gränsen. Gränspunkterna flyttas med ett angivet avstånd. I vårt fall lägger Increment till Linjär förskjutning av gränshuvudpunkterna i förhållande till toppositionerna i föregående tidssteg eller iteration. Det finns flera olika typer av förskjutningstyper tillgängliga i Specifikation av Morpher-avstånd där du kan välja ytterligare alternativ för att förflytta de avgränsande verkterna.

 

Stabilisering av lösningen

Ställ in lösarna i enlighet med bästa praxis. Till exempel för en implicit instabil lösning väljer du ett tillräckligt stort tidssteg. Börja eventuellt med en ökning på 5 grader per tidssteg efter det flöde som utvecklats med MRF-propellern. För kopplingen mellan vätska och struktur erbjuder Simcenter STAR-CCM+ två olika metoder för stabilisering av lösningen. Gränssnittet tillförd massa och Konstant förskjutning Underrelaxering. Båda metoderna är endast tillgängliga för transienta fall.

Syftet med den tillförda massan för gränssnittet är att öka prestandan hos FSI-simuleringen genom att förutsäga de fluid-traktioner som följer av ändringen av gränssnittets position. Det antas att en viss volym av fluid rör sig med FSI-gränsen som fungerar som en extra massa. Denna metod rekommenderas för tvåvägskopplade problem.

 

Enkelriktad koppling mellan vätska och struktur

Det enklaste sättet att frikoppla den ovan beskrivna inställningen är att ändra rörelsespecifikationen från Morphing till Rotation. På så sätt utvärderar vi fortfarande spänningen från fluid-belastningen med hjälp av solid stress solver men återkopplar inte deformationen. Detta kräver dock fortfarande beräkning av belastningar vid varje tidssteg.

Ett annat effektivare alternativ skulle vara att lösa fluid och strukturen efter varandra i stället för samtidigt. Med detta tillvägagångssätt kan du registrera en transient flödeslösning och återanvända de registrerade fluid-belastningarna, som registrerats i en fil med simuleringshistorik, i flera spänningsanalyser utan att köra flödeslösaren på nytt.

Resultat

PPTC-utbildningen kan omvandlas till en tvåvägs FSI-simulering, även om det allmänna konceptet att ha en instabil FSI för en analys av öppet vatten är ganska meningslöst. Du får idén att använda det utvecklade flödet som utgångspunkt. De vanligaste problemen som kan uppstå är sannolikt relaterade till otillräckligt gränssnitt som ett resultat av för olika nätupplösningar mellan den fasta substansen och fluid-representationen. Simuleringen kan dock också köras utan MRF-initiering. På så sätt kan du automatisera analysen vid olika driftspunkter, vilket visas i videon nedan.

 

Om vi jämför resultaten mellan 1-vägs- och 2-vägsparet FSI kan vi se en skillnad på 6% i förskjutningsstorlek och under 2% i KT och maximal von Mises-spänning. En jämförelse av resultaten från tvåvägs FSI med experimenten och ren fluid-analys visar mycket små skillnader, och det är inte heller meningen att detta ska vara en kvantifierad jämförelse.

 

Den integrerade FSI-installationen i Simcenter STAR-CCM+ gör det möjligt för oss att förutsäga prestandan hos system eller komponenter som utsätts för ett fluid-flöde, vilket är avgörande för innovation av sådana produkter. Ett annat exempel kan vara en katamarans hydrofoil som lyfter upp katamaranen ur vattnet, så att katamaranen kan glida med mindre motstånd genom vattnet. De fluid-belastningar som verkar på folien kommer att deformera den, vilket kommer att påverka dess prestanda. Därför är modellering av samspelet mellan fluid och strukturen avgörande för innovation och ger dig mer insikt i din konstruktion.

Författaren

Florian Vesting, doktorsexamen
Kontakt: support@volupe.com
+46 768 51 23 46

 

 

 

Fler blogginlägg

sv_SESwedish