Moving boundary finite element fluid flow simulation methods for marine propulsion systems

Borrmann, Eric; Behr, Marek; Schüttrumpf, Holger

doi:10.18154/RWTH-2017-03530

Moving boundary finite element fluid flow simulation methods for marine propulsion systems = Finite Elemente Methoden mit bewegten Rändern für Strömungssimulationen von maritimen Antriebssystemen

Borrmann, Eric

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Eric Borrmann

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (137 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Behr, Marek (Thesis advisor)^RWTH* ; Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-06-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-03530
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/687955/files/687955.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/687955/files/687955.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Computergestützte Analyse technischer Systeme (416010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
moving boundary (frei) ; finite element (frei) ; fluid flow simulation methods (frei) ; marine propulsion systems (frei) ; Finite Elemente Methode (frei) ; bewegte Ränder (frei) ; Strömungssimulation (frei) ; maritime Antriebssysteme (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur Fluidsimulation eines Antriebssystems eines Voith Wassertraktors (VWT) entwickelt. Das Antriebssystem besteht aus zwei Voith-Schneider-Propellern (VSP) und einer Schutzplatte. Um eine Fluidsimulation einer Strömung um die beweglichen Teile des VWT, wie die gegenläufig rotierenden VSP und die einzelnen Rotorblätter jedes VSP, durchzuführen, wird ein bewegliches Netz aus finiten Elementen konstruiert. Für eine Simulation einer Drehung eines einzelnen VSP wird eine Shear-Slip Mesh Update Methode (SSMUM) verwendet. Eine Simulation einer Drehung einzelner Rotorblätter der VSP erfolgt mithilfe einer Elastic Mesh Update Methode (EMUM). Bei der Anwendung des EMUM-Konzeptes werden das Finite-Elemente-Netz als ein elastischer Festkörper betrachtet und Gleichungen nach der linearen Elastizitätstheorie gelöst. Dadurch sind Verformungen von Elementen des Netzes nicht explizit kontrollierbar, was zu degenerierten Elementen in Bereichen führen kann, wo eine hohe relative Bewegung von benachbarten Elementen herrscht. Dies ist insbesondere in einem kritischen Bereich zwischen den Unterseiten der Rotorblätter und der Düsenplatte der Fall, welche nur 2,6 cm unterhalb der Rotorblätter angeordnet ist. Während versucht wird, in dem kritischen Bereich zum Teil Knotenbewegungen vorzugegeben, um eine Degeneration von Elementen zu verhindern, wird zusätzlich ein Ansatz einer Concentric Shell Mesh Motion (CSMM) verfolgt. Das CSMM-Konzept ist so konzipiert, dass eine Bewegung jedes einzelnen Knotens des Netzes explizit vorgegeben ist und eine Degeneration eines Elementes unmöglich ist. Jedoch erfordert das CSMM-Konzept einen im Vergleich zum EMUM-Konzept höheren Programmieraufwand für die Netzgenerierung. Das CSMM-Konzept wird mit dem EMUMKonzept im Rahmen einer Netzverfeinerungsstudie verglichen. Bei dieser Studie wird eine instationäre Navier-Stokes-Strömung um ein einzelnes verdrehtes Rotorblatt eines VSPs berechnet. Im Vergleich zum EMUM-Konzept werden bei der Anwendung des CSMM-Konzeptes Elemente mit einer schlechteren Qualität in dem kritischen Bereich unterhalb der Rotorblätter erzeugt. Dies verursacht ein schlechteres Konvergenzverhalten einer Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen. Deshalb wird für die Fluidsimulation des kompletten Antriebssystems des VWT mit zehn Rotorblättern das EMUM-Konzept ausgewählt. Um die instationäre Navier-Stokes-Strömung um das VWT Antriebssystem zu berechnen, wird eine weitere Netzverfeinerungsstudie durchgeführt. Hierbei werden ähnliche Netzauflösungen in den Bereichen um die Rotorblätter wie bei der Netzverfeinerungsstudie zur Strömung um das einzelne verdrehte Rotorblatt verwendet. Die berechneten Strömungsfelder, welche mit den zwei am höchsten aufgelösten Netzen erzielt werden, stimmen annähernd überein. Eine jeweils mit diesen Netzen berechnete durchschnittliche Kraft jeweils eines einzelnen Rotorblattes sowie ein jeweiliger zeitlicher Verlauf dieser Kraft zeigen Übereinstimmungen im Bereich von fünf bis acht Prozent. Die durchschnittliche Kraft eines Rotorblattes weicht um bis zu zwölf Prozent von Mess- und Simulationsdaten aus dem Hause Voith ab.Neben der Strömungssimulation des VWT Antriebssystems wird eine Methode zur Berechnung einer freien Oberfläche um einen Schiffsrumpf des VWT beschrieben. Dabei wird die Oberfläche des Schi_srumpfes in einzelne Teil_ächen aufgeteilt und eine jeweilige Geometrie der Teilflächen mithilfe von künstlichen Neuronalen Netzen approximiert. Durch diesen Ansatz kann auf eine Implementierung einer mithilfe von Splinefunktionen beschriebenen komplexen Schiffrumpfgeometrie verzichtet werden.

In this thesis, a moving boundary _nite element _uid _ow simulation method for a propulsion system of a VoithWater Tractor (VWT) consisting of two Voith Schneider propellers (VSP) and a nozzle plate is developed. In order to perform a _uid _ow simulation around the moving parts of the VWT, such as the counterrotating VSPs and the single bladesof each VSP, a moving _nite element mesh is constructed. A Shear-Slip Mesh Update Method (SSMUM) is used to follow the motion of each VSP whereas an Elastic Mesh Update Method (EMUM) captures the rotation of each single blade of a VSP. The EMUM approach regards the _nite element mesh as an elastic solid and solves the linear elasticity equation for the mesh node motions. Therefore, the element deformation cannot be controlled explicitly and this can lead to tangling elements in regions of high relative motion of neighbouring elements. This is especially the case in a critical region between the bottom of the blades and the nozzle plate, which is situated just 2.6 centimetres below the blades of the VSPs. While trying to partly prescribe the EMUM node motion in the critical region in order to prevent the tangling of elements, a Concentric Shell Mesh Motion (CSMM) approach is worked out in parallel. The CSMM approach is designed such that the motion of every mesh node is explicitly prescribed and tangling of an element of the mesh is impossible. However, the CSMM concept demands a higher e_ort in programming the mesh generation compared to the EMUM approach. In order to directly compare these two alternative mesh motion concepts, a comparative re_nement study is performed wherein an unsteady Navier-Stokes _ow around a _xed blade of the VSP is calculated. Compared to the EMUM concept, worse elements in the critical region below the blades are created with the CSMM concept. This contributes to a worse convergence behaviour of the solution of the Navier-Stokes equations. Therefore, the EMUM approach is selected for the full ten blade VWT proplulsion system unsteady Navier-Stokes simulation. A re_nement study is performed for the unsteady Navier-Stokes simulation around the VWT proplulsion system as well. Here, similar mesh resolutions around the blade compared to the single blade re_nement study are used. The two _nest meshes show an average force value of each single blade and also a characteristic of each force value that agree in the range of _ve to eight percent. The average thrust of a single blade varies by up to twelve percent compared to the measured and simulated data by Voith. Beside the _ow simulation of the VWT propulsion system, a method for the simulation of a free-surface _ow simulation around a hull of the VWT is presented. According to this method the surface of the hull is divided into single subareas. The geometry of the subareas are approximated by the use of arti_cial neural networks. Using this approach, the implementation of a complicated CAD spline based ship hull geometry can be avoided.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)