Transport morski to wbrew pozorom jeden z filarów naszej cywilizacji. Szacuje się, że w samym 2018 r. drogą morską przetransportowano 12 mld ton towarów i co roku odnotowuje się wzrost tej wielkości [1]. Przy tej skali każda, nawet kilkuprocentowa poprawa wydajności przekłada się na ogromne pieniądze. Symulacja komputerowa jest uważana za idealne narzędzie optymalizacyjne, co czyni ją doskonałym aparatem do zwiększania możliwości urządzeń morskich.
Nie ma fal
Jednym z podstawowych narzędzi modelowania przepływu w akwenach otwartych jest moduł Open Channel. Jest to dodatek do modelu wielofazowego VOF, który odczuwalnie ułatwia pracę, gdy warunki brzegowe są „wyjściem” do ośrodka o znanym poziomie cieczy. Użytkownik może wtedy określić współrzędne dna oraz wysokość lustra wody, a warunki wlotu i wylotu będą wymuszały zdefiniowany poziom akwenu w środku domeny obliczeniowej.
Naturalnym rozwinięciem modułu Open Channel jest Wave Boundary Condition. Jak sugeruje jego nazwa, pozwala on na zadawanie fal na warunkach brzegowych (głównie velocity inlet). W zależności od stromości fal można je zadać za pomocą kilku wbudowanych typów z teorii fal – od prostych liniowych pierwszego rzędu po fale Stokesa piątego rzędu. Dodatkowym ułatwieniem jest wywoływana z konsoli funkcja sprawdzająca poprawność wykorzystanej przez użytkownika aproksymacji w stosunku do wprowadzonych podstawowych danych fali.
Ciekawym aspektem symulacji falowania jest tzw. numeryczna plaża (numerical beach). Powszechnym zjawiskiem jest to, że fala po uderzeniu w warunek brzegowy wylotu odbija się od niego, a nie wędruje poza domenę. Żeby zniwelować ten efekt, stosuje się wewnętrzne źródła pędu tuż przy ujściu z domeny. Źródła te mają „uspokoić” falę, aby się nie odbijała. Brzmi to skomplikowanie, jednak numeryczna plaża jest bardzo prostym rozwiązaniem. Wszystkie potrzebne informacje są kopiowane z warunku wlotu, a użytkownik musi jedynie określić, w jakim obszarze znajduje się plaża.
Użycie modułu Open Channel nie eliminuje podstawowych narzędzi używanych najczęściej z modułem VOF. Użytkownik może więc wybrać formę explicit lub implicite modelu z powiązanymi z nimi schematami dyskretyzacji albo moduł zmniejszający dyfuzję numeryczną interfejsu. Aby jeszcze dokładniej odwzorować interfejs międzyfazowy, można sięgnąć po adaptacyjne zagęszczanie siatki, które w każdym kroku czasowym podzieli elementy na mniejsze w rejonie, gdzie występuje powierzchnia swobodna.
Pzechyły i przechyły!
Symulowanie falowania w pustym akwenie nie wydaje się zbyt ciekawe. Najczęściej jednak do falującego akwenu dodaje się konstrukcję stałą (platformę wiertniczą czy elementy nabrzeża) albo ruchomy obiekt (statek, boję).
W ANSYS Fluent możliwe jest oczywiście zasymulowanie pływania takiego ruchomego elementu na podstawie jego masy, sił hydrodynamicznych czy momentów bezwładności. Jeżeli w domenie obecny jest inny ruch niż obrotowy, najczęściej wiąże się to z dynamicznymi siatkami. I owszem, przy niewielkiej deformacji takie podejście wydaje się słuszne. Jednak przy dużych przemieszczeniach wygładzanie i przesiatkowywanie modelu może się okazać mocno niepraktyczne.
Dlatego ostatnio dość często wykorzystuje się do takich celów moduł Overset Mesh służący do sprytnego nakładania siatek. W takim modelu na siatkę pustego akwenu można nałożyć ruchomą siatkę elementu pływającego.
Aqwa vitae
Na koniec warto jeszcze wspomnieć o module Aqwa, który zasłynął głównie z obliczeń mechanicznych w aplikacjach typu off-shore. Jednak moduł ten może równie dobrze posłużyć do symulacji falowania.
Okazuje się, że metoda elementów skończonych całkiem dobrze sobie radzi z odwzorowaniem kształtu fali – nie jest aż tak wrażliwa na dyfuzję numeryczną jak metoda objętości skończonych. Z drugiej jednak strony nie jest też zbyt precyzyjna w obszarach, w których fala natrafia na przeszkodę. Niemniej wydaje się, że moduł ten jest wart uwagi ze względu na inne przeznaczone do tego typu aplikacji narzędzia.
Panta rhei
Branża off-shore to ogromny wycinek inżynierii, który rok do roku się powiększa. Aby sprostać wyzwaniom stawianym nowoczesnym konstrukcjom statków czy platform wiertniczych, inżynierowie muszą je nieustannie ulepszać i optymalizować. Jak widać, symulacje komputerowe oferują bardzo wiele narzędzi właśnie do takich celów.
Niezależnie od tego, czy trzeba zaprojektować kadłub kontenerowca, elektrownię morską czy port jachtowy, ANSYS ma rozwiązania, które pozwolą wyprzedzić konkurencję.
Autor:
Maciej Kryś, MESco Sp. z o.o.
Literatura
[1] Raport roczny (2018) Konferencji Narodów Zjednoczonych ds. Handlu i Rozwoju, https://unctad.org/en/PublicationsLibrary/rmt2018_en.pdf.