Accelerated Boat

Free surfaces in fluid mechanical systems are a great challenge for numerical simulation methods in themselves. However, many applications additionally exhibit moving structures interacting with the fluid. In most cases a realistic modeling with today's standard software is simply not feasible or would at least require a non economical amount of time and computational power to solve every-days simulation problems. One such example is the simulation of a boat being accelerated until it reaches its final inclination determined by its hull shape and its speed. A good understanding of this lifting process is mandatory for guiding the design and optimization of the hull. In grid-based methods such simulations are usually more simplified. Instead of allowing the boat moving freely during acceleration, the boat hull is entirely fixed or at most rotation around one axis is possible (thus reducing the degrees of freedom to zero or one), whereas the water flows with the velocity the boat should run with. This technique reduces computation time and numeric imprecision due to remeshing. It also gives a first insight into the fluid mechanical properties of the boat hull. However, it never provides the full information required for an in-depth understanding necessary in the design process. Rotational instabilities of a freely moving boat cannot be analyzed to name just one challenge.

Modeling abilities of NOGRID points

In contrast NOGRID pointssoftware, a meshless CFD (computational fluid dynamics) simulation software, based on FPM (Finite Pointset Method) permits several approaches for modeling the described scenario realistically. No restrictions on the movability of the boat are prescribed. In particular all six degrees of freedom, three for the velocity and three for the rotation of the rigid boat hull, are available. In the approach presented here the boat rests in a box partly filled with water. The boat hull is modeled as a set of faces which can freely move in the water. The fluid-structure interaction of the water with these faces is further determined by the center of gravity of the boat, by its mass and by its inertial tensor. Beginning at time t=0 an outer force and (small) torque is applied to the center of gravity (generated by the thrust of the propellers), and which now starts to accelerate the boat.

Meshless flow simulation CFD free surfaces
Figure 1: Accelerated boat with all six degrees of freedom

 

The role of finite points in NOGRID points

In NOGRID points finite points assume the role of the mesh used in FEM or FVM based methods. Beside the physical parameters of the model the user only has to determine the approximate density of these finite points. Tedious meshing and inaccurate and inefficient remeshing is not required since each finite point moves with the velocity of the fluid or (boat hull) face it belongs to. This Lagrangian view allows free surfaces and moving objects in a natural way. (It also allows directly utilizing the substantial derivatives in the Navier-Stokes equation, reducing the number of discrete derivatives to be computed and therefore increasing accuracy and efficiency.) For the boat model the exact flow of the water farther away from the boat hull is of no interest, hence a very sparse finite point density is chosen. In contrast, the water around the boat hull is resolved with high precision to allow an accurate computation of the lifting.

The finite point management is completely done by NOGRID points and is not visible to the user. At the beginning of the simulation finite points are inserted according to the prescribed finite point density until the fluid and the faces are completely filled out. If finite points move apart during the simulation and holes occur in the finite point cloud, additional finite points are automatically inserted. Similarly two finite points which have converged too close to each other are replaced by a single finite point. (It should be mentioned that such operations occur only scarcely and so do not compromise accuracy and efficiency as extensive remeshing and interpolation does in grid based methods.)

Meshless Flow Simulation CFD particles
Figure 2: Accelerated boat with all six degrees of freedom

The simulated time is 11 seconds, the computation time of the simulation (done on a normal desktop computer equipped with a quad core processor) was about 15 hours. NOGRID points provides the means for economically support design and development in engineering, both drastically reducing time spent on preprocessing as well as computation time.

Outlook

As mentioned above, further approaches are offered by the simulation abilities of NOGRID points providing an even more complete picture of the flow phenomena involved. These include the replacement of the explicit external force by a propeller, for example modeled by a small cylinder with a mass flow through the cylinder set to the mass flow generated by the propeller (computation time would increase only slightly). If required the propeller itself could be computed in detail.

If the boat is composed of a flexible structure where the elasticity of the hull influences the fluid dynamical behavior, the hull could be represented by a second phase with elastic material properties (which gives in fact a multi phase flow with a viscous and an elastic phase).

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Beschleunigtes Boot

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, bedingt durch die Form seines Rumpfes und seiner Geschwindigkeit. Voraussetzung  für die Erstellung des Designs und der Optimierung des Rumpfes ist es, diesen Hebeprozess gut nachzuvollziehen. In netzbasierten Methoden werden solche Simulationen meist stark vereinfacht dargestellt. Statt dass dem Boot erlaubt wird, sich durch die Beschleunigung frei zu bewegen, wird der gesamte Bootsrumpf fest vorgegeben oder es ist bestenfalls eine Rotation 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 verringert die Rechenzeit und die numerische Ungenauigkeit, bedingt durch die Neuvernetzung. Sie gibt ebenso einen ersten Einblick in die strömungsmechanischen Eigenschaften des Bootsrumpfes. Diese Technik stellt jedoch nie die gesamte benötigte Information zur Verfügung, die ein - für den Designprozess benötigtes - tiefgehendes Verstehen ermöglicht. Rotierende Instabilitäten eines sich frei bewegenden Bootes können nicht analysiert werden, um nur eine Herausforderung zu nennen.

Modellierungsfähigkeiten von NOGRID points

Im Gegensatz dazu erlaubt die NOGRID pointsSoftware (eine CFD - Computational Fluid Dynamics - Software, basierend auf FPM, der Finite Pointset Methode) mehrere Annäherungen, um das beschriebene Szenario realistisch darzustellen. Es sind keinerlei Restriktionen bezüglich der Beweglichkeit des Bootes vorgegeben. Im einzelnen sind alle sechs Freiheitsgrade (drei für die Geschwindigkeit und drei für die Rotation des unbeweglichen Bootsrumpfes) verfügbar. In der hier vorgestellten Annäherung liegt das Boot in einer zum Teil mit Wasser befüllten Box. Der Bootsrumpf ist als eine Zusammenstellung von Flächen modelliert, die sich auf dem Wasser frei bewegen können. Die Fluid-Struktur-Wechselwirkung des Wassers mit diesen Flächen ist weiterhin festgelegt durch: Die Schwerkraft des Bootes, seiner Masse und seiner Trägheitssensoren. Beginnend am Zeitpunkt t = 0, wirkt eine äußere Kraft (erzeugt durch den Schub der Schiffsschraube) und das Boot wird beschleunigt.

 

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Abb. 1: Beschleunigtes Boot mit allen sechs Freiheitsgraden

Die Rolle von finiten Punkten in  NOGRID points

In NOGRID pointsnehmen die finiten 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. Für das Bootsmodell ist die exakte Strömung des Wassers, das weiter vom Bootsrumpf entfernt ist, nicht von Interesse, deshalb kann hier eine sehr sparsame 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 Hebevorgangs 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 zusätzliche finite Punkte automatisch eingefügt. Das gleiche gilt, wenn zwei finite Punkte sich zu dicht aneinander bewegt haben: Sie werden dann durch einen einzigen finiten Punkt ersetzt. (An dieser Stelle sei erwähnt, dass solche Vorfälle nur sehr selten passieren und deshalb nicht mit der aufwendigen und effektiven Neuvernetzung und Interpolation in netzbasierten Methoden verglichen werden können). 

 

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Abb. 2: Beschleunigtes Boot mit allen sechs Freiheitsgraden

Die simulierte Zeit beträgt 11 Sekunden, die Rechenzeit der Simulation (durchgeführt an einem normalen Desktop Computer, der mit einem Quad-Core Prozessor ausgestattet ist) betrug etwa 15 Stunden.

Ausblick

Wie bereits oben erwähnt, sind weitere Annäherungen mit den Simulationsfähigkeiten von NOGRID points möglich, denn NOGRID points bietet ein genaueres Abbild 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). Wenn gewünscht, 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).

 

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Heat Exchanger

If you want to make a thermal analysis by using simulation then our meshless CFD simulation software NOGRID pointsis a great choice. Based on the geometrical model which can either be imported from your CAD or created with our CAD preprocessor Compassyou can generate a computer model of a specific geometry in a very short time (compared to mesh-based methods) and see its thermal characteristics in advance.

NOGRID points shows how the heat is transferred either by heat conduction, heat radiation or by convection means by the flow of a fluid. You can couple also all kinds of heat transfer mechanisms. In the example below you can see a floating heat exchanger with two fluids. This model gives you a better understanding of the heat exchange process and helps to improve your design regarding efficiency and costs. If something should be missing for your purposes, please let us know, we can easily implement additional requirements.

Heatexchanger

Figure 1: Floating heat exchanger

NOGRID points can perfectly be used for designing and problem solving of heat exchangers. The thermal homogenizing and the cooling/heating rate can be predicted. NOGRID points helps to understand the flow by visualization of the mass, momentum and heat transfer of single and multiple phases in the heat exchanger. You receive integral quantities which you can use to analyze the heat exchange efficiency. Additionally, animations of particle paths can easily be performed (see figure 2).heatexchanger

Figure 2: Particle paths in heat exchanger for both fluids

Experts in heat transfer

For the solving of your thermal cases NOGRID offers beside excellent simulation software also expert services. Our service employees are highly qualified and are experts in modeling of all kind of processes. They know the complex physics of multiphase flows and can help you to be more successful by finding out how your processes can be improved.

Easy-To-Use

1. Construct or import a geometrical model by using our pre-processor CAD tool Compass

Heatexchanger

Figure 3: CAD model created in NOGRID's COMPASS

2. Set up all parameters like mass flow rates or material/fluid properties

Heat exchanger

Figure 4: Parameter setup in NOGRID points

3. Perform a CFD simulation

 

What is CFD from NOGRID?

CFD solves the fundamental equations that define the fluid flow process. With CFD software from NOGRID every engineer makes better decisions by predicting, analyzing and controlling fluid flow, heat and mass transfer or chemical reaction. By using NOGRID simulation software you receive information on essential flow characteristics as for example flow distribution. Using it additional to testing and experimentation NOGRID software helps to improve the evaluation of your design – resulting in better construction and operation parameters, increasing planning security and money savings due to faster time to the marketplace for your product or process.

Choose NOGRID

With NOGRID, you choose professional CFD simulation software and services – our aim is helping you to be successful. When you decide to work with NOGRID you choose close cooperation with a dynamic, flat hierarchies-organization. Short information channels result in quick and accurate professional support and service. Our team consists of highly qualified employees, who are experts in fields such as numerical simulation or computational fluid dynamics. Based on our know-how, we are pleased to offer the following services, responding to your individual requirements:

TRAINING

In our two-days training courses you will learn, how to use NOGRID CFD simulation software efficiently. Our technical support team will teach you how to handle and solve different cases.

TECHNICAL SUPPORT

We offer full professional support from the minute you start using our software, by telephone or by email. Contact us, when ever needed.

SERVICE

Lack of time or resources and other constraints often make outsourcing an attractive solution. We help you with your flow modeling needs. Based on our engineering expertise in this field we offer individual numerical simulation services matching the unique needs of your organization.

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Wasserwellen

Dieses Beispiel zeigt die Möglichkeiten, Wasserwellen mit Hilfe von der CFD Simulationssoftware NOGRID points zu modellieren. Auf der Abbildung unten sieht man eine Ozeanwasserwelle gegen einen Leuchtturm bersten und um diesen herumfließen.

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Abb. 1: Wasserwelle, die auf einen Leuchtturm trifft

Aufgrund der speziellen Architektur des Leuchtturms wird das Bersten der Wellenfront unterhalb der Wohneinheiten erzwungen. Die Integration der Kräfte, die auf den Leuchtturm einwirken, helfen, die Stabilität des Gebäudes unter vielen verschiedenen Wetterbedingungen zu beurteilen. Die Effektivität architektureller Verbesserungen bzw. Innovationen können schnell beurteilt werden.

Gitterfreie CFD-Software berechnet Wasserwellen

Abb. 2: Animation einer Wasserwellensimulation

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Water Waves

This example shows the possibilities of modeling water waves using the meshless CFD Software NOGRID points. Shown below is an ocean water wave slamming against and flowing around a lighthouse.

Meshless CFD computing water wavesMeshless CFD computing water waves Meshless CFD computing water wavesMeshless CFD computing water waves
Figure 1: Water wave coming on lighthouse

Due to the special architecture of the lighthouse the wave front is forced below the living quarters. Integration of the forces acted upon the lighthouse helps to evaluate the buildings stability in many different weather conditions. The effectiveness of architectural improvements can be judged quickly.

Meshless CFD simulating water waves
Figure 2: Animation of a water wave simulation

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