Simulation Beschleunigtes Boot

In diesem Beispiel stellen wir die Möglichkeit vor, mit Hilfe der CFD Software NOGRID points die Simulation eines beschleunigten Bootes durchzuführen.

Freie Oberflächen in einem strömungsmechanischen System stellen für numerische Strömungsmethoden eine große Herausforderung dar. Viele Anwendungen weisen bewegte Strukturen auf, die sich durch die Strömung gegenseitig beeinflussen.
In den meisten Fällen ist ein realistisches Modellieren mit der heutigen Standardsoftware nicht möglich oder würde letztendlich einen sehr großen Aufwand an Zeit und Rechenleistung erfordern, um alltägliche Simulationsprobleme zu lösen. Ein solches Beispiel ist die Simulation eines Bootes, das so lange beschleunigt wird, bis es seine endgültige Neigung erreicht, determiniert durch die Form seines Rumpfes und seiner Geschwindigkeit. Unerlässlich für die Erstellung des Designs und der Optimierung des Rumpfes ist es, diesen Hebeprozess gut zu verstehen. In netzbasierten Methoden werden solche Simulationen meist stark vereinfacht dargestellt. Statt zuzulassen, dass sich das Boot während des Beschleunigens frei bewegt, wird der gesamte Bootsrumpf vollständig fixiert oder es ist höchstens eine Drehung um eine Achse möglich (dementsprechend wird der Freiheitsgrad auf null oder eins reduziert), wohingegen das Wasser mit der Geschwindigkeit strömt, die das Boot haben sollte. Diese Technik reduziert die Rechenzeit und die numerische Ungenauigkeit, bedingt durch das Remeshing. Sie gibt ebenso einen ersten Einblick in die strömungsmechanischen Eigenschaften des Bootsrumpfes. Es werden jedoch niemals die vollständigen Informationen bereitgestellt, die ein - für den Designprozess erforderliches - tiefgehendes Verständnis ermöglicht. Rotationsinstabilitäten eines sich frei bewegenden Bootes können nicht analysiert werden, um nur eine Herausforderung zu nennen.

Abb. 1: CAD-Modell und Netz erstellt in NOGRIDs COMPASS

Abb. 2: Setup in NOGRID points' GUI

Abb. 3: Simulationsergebnis Geschwindigkeit und freie Oberfläche in NOGRID points GUI

Abb. 4: Animation der Beschleunigung des Bootes

Modellierungsfähigkeiten von NOGRID points

Im Gegensatz dazu emöglicht die NOGRID points Software verschiedene Ansätze zur realistischen Modellierung des beschriebenen Szenarios. Es gibt keinerlei Einschränkungen bezüglich der Beweglichkeit des Bootes. Insbesondere stehen alle sechs Freiheitsgrade (drei für die Geschwindigkeit und drei für die Rotation des starren Bootsrumpfes) zur Verfügung. Bei dem hier vorgestellten Ansatz ruht das Boot in einer zum Teil mit Wasser befüllten Box. Der Bootsrumpf ist als eine Zusammenstellung von Flächen modelliert, die sich frei im Wasser bewegen können. Die Fluid-Struktur-Wechselwirkung des Wassers mit diesen Flächen ist weiterhin festgelegt durch: Den Schwerpunkt des Bootes, seiner Masse und seinen Trägheitstensor. Beginnend am Zeitpunkt t = 0, wird eine äußere Kraft und ein kleines Drehmoment auf den Schwerpunkt ausgeübt (erzeugt durch den Schub der Schiffsschraube), der nun beginnt, das Boot zu beschleunigen.

Die simulierte Zeit beträgt 20 Sekunden, die Rechenzeit der Simulation (durchgeführt an einem normalen Desktop Computer, der mit einem Quad-Core Prozessor ausgestattet ist) betrug etwa 5 Stunden.
NOGRID points bietet die Möglichkeit, Design und Entwicklung im Engineering wirtschaftlich zu unterstützen, wodurch sowohl der Zeitaufwand für das Preprocessing als auch die Rechenzeit drastisch reduziert werden.

NOGRID points kann freie Oberflächenströmungen und darauf oder sich darin bewegende Teile berechnen und ermöglicht darüber hinaus die Simulation jeder denkbaren Geometrie:

  • Berechnung ist in voll 3D und die kompletten Navier-Stokes-Gleichungen werden gelöst
  • Einfache und intuitive Bedienung sowohl beim Aufsetzen als auch bei der Auswertung der Ergebnisse
  • Frei definierbare Materialeigenschaften durch User Gleichungen oder Kurven
  • Beliebige Schiffsgeometrie bzw. Bauteilgeometrie
  • Offene und geschlossene Kammern einschließlich der Bewegung von Bauteilen
  • Beliebig viele Einlässe, die sich beliebig ein- und ausschalten lassen
  • Bewegte Wände oder Einlässe

 

Die Rolle von finiten Punkten in  NOGRID points

In NOGRID points nehmen finite Punkte die Rolle des Netzes ein, das in FEM/FVM-basierten Methoden verwendet wird. Neben den physikalischen Parametern des Modells muss der User nur die Punktedichte (Anzahl der finiten Punkte pro Volumen) festlegen. Mühsames Vernetzen und ungenaues und ineffizientes Neuvernetzen sind nicht nötig, da jeder finite Punkt sich mit der Geschwindigkeit der Strömung oder der zugehörigen (Bootsrumpf)-Fläche bewegt. Dieser Lagrange-Ansatz erlaubt auf natürliche Art und Weise freie Oberflächen und bewegte Teile. Er ermöglicht auch die direkte Verwendung der wesentlichen Ableitungen der Navier-Stokes-Gleichung, wodurch die Anzahl der zu berechnenden diskreten Ableitungen verringert und somit die Genauigkeit und Effizienz erhöht wird. Für das Bootsmodell ist die exakte Strömung des Wassers, das weiter vom Bootsrumpf entfernt ist, nicht von Interesse, deshalb kann hier eine sehr geringe finite Punktedichte gewählt werden. Im Gegensatz dazu wird das Wasser, das sich direkt um den Bootsrumpf befindet, in hoher Auflösung modelliert, um eine genaue Berechnung des Auftriebs zu ermöglichen.

Das Management der finiten Punkte wird komplett von NOGRID points übernommen und ist für den User nicht sichtbar. Zu Beginn der Simulation werden die finiten Punkte gemäß der beschriebenen Punktedichte so lange eingefügt, bis das Strömungsgebiet komplett ausgefüllt ist. Wenn sich während der Simulation finite Punkte wegbewegen und dadurch Löcher in der Punktewolke entstehen, werden automatisch zusätzliche finite Punkte eingefügt. In ähnlicher Weise werden zwei finite Punkte, die zu nahe beieinander konvergiert haben, durch einen einzelnen finiten Punkt ersetzt. (An dieser Stelle sei erwähnt, dass solche Vorfälle nur sehr selten auftreten und daher die Genauigkeit und Effizienz nicht beeinträchtigen, wie dies bei gitterbasierten Methoden durch umfangreiches Remeshing und Interpolation der Fall ist). 

 

Ausblick

Wie bereits oben erwähnt, sind weitere Annäherungen mit den Simulationsfähigkeiten von NOGRID points möglich, denn NOGRID points bietet ein komplettes Bild der involvierten Strömungsphänomene. Das beinhaltet den Austausch der externen Kraft durch die Schiffsschraube (die beispielsweise durch einen kleinen Zylinder modelliert wird), mit einer Massenströmung durch den Zylinder, um die Massenströmung, die durch die Schiffsschraube erzeugt wird, festzulegen (die Rechenzeit würde sich nur leicht erhöhen). Bei Bedarf, könnte auch die Schiffsschraube selbst im Detail berechnet werden. 

Wenn das Boot aus einer flexiblen Struktur zusammengesetzt ist, bei der die Elastizität des Bootsrumpfes die dynamischen Strömungseigenschaften beeinflusst, könnte der Bootsrumpf durch eine zweite Phase mit elastischen Materialeigenschaften dargestellt werden (dadurch entsteht eine Multiphasenströmung mit einer zähflüssigen und einer elastischen Phase).

Stärken der Nogrid Software

Unsere Stärke ist das schnelle Preprocessing, da unsere Software auf einer gitterfreien Methode basiert - es muss kein Netz für das Fluidvolumen in 3D oder für die Fluidfläche in 2D generiert werden. Dies führt zu einer besonders kurzen Modellierungszeit (auch für komplizierte Modelle), so dass Sie im Vergleich zu gitterbasierten CFD-Softwareprodukten viel Zeit sparen können. Die gitterfreie Methode ist stark bei der Berechnung von bewegten Teilen oder bei der Berechnung von komplexen freien Oberflächen.
Wie Sie im Bild unten sehen können, benötigt man für die Ränder der Geometrie nach wie vor ein Netz, damit die inneren finiten Punkte den Rand detektieren können. Die Ränder müssen also vernetzt werden und die finiten Punkte im Inneren werden während der Simulation automatisch generiert.
Easy Modelling

Einfache und schnelle Modellierung: Geometrie erzeugen und Ränder vernetzen, Fall aufsetzen und Simulation starten

Was kann die NOGRID Strömungssimulationssoftware für Sie tun?

 

Verlässliche industrielle Prozesse sprechen für sich und sind verantwortlich für den Erfolg eines Unternehmens. Für viele Prozesse spielt das Strömungsverhalten des Fluids eine wichtige Rolle für den Erfolg. Da industrielle Designs oft sehr komplex sind, gibt es verschiedene Faktoren, die in Fluidströmungs-Anwendungen wichtig sein können. Durch eine CFD-Simulation mit einer professionellen Software können Sie Ihre Prozessleistung simulieren und relevante Parameter berücksichtigen: Die Anwendung von NOGRIDs numerischer Strömungssimulationssoftware ermöglicht es Ihnen, die Fluidströmung, den Wärme- und Massenübergang sowie eventuell stattfindende chemische Reaktionen vorherzusagen, zu analysieren und zu kontrollieren und gibt Ihnen die Möglichkeit, Ihre Prozessleistung zu optimieren. Dadurch erhalten Sie eine Basis für bessere Design-Entscheidungen.
Die Strömungssimulationssoftware von NOGRID ist ein gitterfreies Tool mit erstaunlicher Flexibilität, Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Robustheit. Die Software liefert qualitativ hochwertige Ergebnisse für ein weites Feld von Fluidströmungs-Anwendungen.

 

Warum sollten Sie sich für NOGRID Strömungssimulationssoftware entscheiden?

 

Zusätzlich zum Testen und Experimentieren hilft die NOGRID Strömungssimulationssoftware die Bewertung Ihres Designs zu verbessern und den Erfolg Ihres industriellen Prozesses zu steigern. Zu lernen, wie sich die Fluidströmung verhalten wird und wie sicher industrielle Prozesse oder Prozessschritte funktionieren lässt Ihr Wissen von Simulation zu Simulation wachsen. Sie bekommen ein besseres Verständnis für Ihre Prozesse, was wiederum zu enormen Einsparungen von Herstellungskosten und - zeit und gleichzeitig zu einem Endprodukt von hoher Qualität führt. Durch Simulation erhalten Sie bessere Konstruktions- und Betriebsparameter, steigende Planungssicherheit und Sie sparen Zeit und Geld dadurch, dass Sie Ihr Produkt schneller auf den Markt bringen können.

 

Training

 

In unserem zwei-Tage Trainingskurs werden Sie lernen, wie man die NOGRID CFD/CAE Software effizient einsetzt. Unser technischer Support hat Erfahrungen in vielen Disziplinen und kann Ihnen zeigen, wie man schwierige Fälle bewertet, behandelt und löst.

Für mehr Details bitte hier weiterlesen: Trainingskurse →

 

Technischer Support

 

Wir bieten den kompletten technischen Software Support an. Von der ersten Minute an, ab der Sie die Software nutzen, können Sie uns über Telefon oder E-Mail erreichen. Schreiben Sie uns, wir sind Ihnen gerne behilflich.

Für mehr Details bitte hier weiterlesen: Software Support

 

Service

 

Oft sind Zeit und Ressourcen knapp bemessen, so dass die Vergabe von Simulationsaufgaben eine attraktive Möglichkeit sein kann, um schnell und kostengünstig anstehende Aufgaben zu bearbeiten. Basierend auf unserem Know-how können wir eine Fülle von Serviceleistungen auf dem Gebiet der Simulation von Strömungen anbieten.
Wir modellieren und entwickeln für Sie. Sie brauchen hierfür keine NOGRID-Software Lizenz zu kaufen. Wir bieten Ihnen einen individuellen Berechnungsservice für Ihre Verfahren und Prozesse an, der genau auf Ihre Wünsche zugeschnitten ist.

Für mehr Details bitte hier weiterlesen: Simulation Services →

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55130 Mainz, Germany
info@nogrid.com

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