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; Behr, Marek (Thesis advisor); Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)

Aachen (2016, 2017)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

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.

Identifikationsnummern