Abstrakti
Laivamittakaavassa tehdyn virtaussimuloinnin luotettavuus on tärkeä aihe laivojen energiatehokkuuden ennustettavuuden kannalta. Laivan virtausvastuksen simulointi laivamittakaavassa vältytään skaalausvirheeltä, mikä on mallikoetekniikan tarkkuutta rajoittava tekijä. Todenmukainen laivan hydrodynamiikan simulointi edellyttää kaksifaasivirtausratkaisua, jossa veden vapaa pinta mallinnetaan. Laskenta-alueessa vapaa pinta muodostaa epäjatkuvuuden useisiin fysikaalisiin suureisiin, mikä edellyttää kehittyneitä numeerisia menetelmiä luotettavan laskentatuloksen saavuttamiseksi. Laskennallisessa virtausmekaniikassa yleisesti käytetty kontrollitilavuusmenetelmän soveltaminen epäjatkuvien kenttien simulointiin aiheuttaa numeerisia virheitä.
Ensimmäinen keskeinen tutkimusaihe tässä väitöskirjassa haamufluidimenetelmän (ghost fluid method) soveltaminen vapaan pinnan diskretointiin. Menetelmä ei aiheuta numeerista virhettä kenttäratkaisuun vapaanpinnan välittömässä läheisyydessä, jota esiintyy perinteisissä menetelmissä. Haamufluidimenetelmää on tutkittu aiemmin kirjallisuudessa, mutta laajempaa kokemusta menetelmän soveltuvuudesta laivasimulaatioihin on niukasti. Tässä työssä menetelmä toteutetaan ja testataan käyttämällä avoimen lähdekoodin OpenFOAM ohjelmistoa. Menetelmästä esitetään myös korjattu versio jonka havaitaan parantavan aaltokuviota.
Toinen keskeinen tutkimusaihe tässä työssä on ratkaistun turbulenssin hyödyntäminen laivasimulaatioissa. Mallimittakaavatulosten skaalaustarkkuus laivamittakaavaan liittyy virhelähteitä, jotka riippuvat Reynoldsin luvusta. Eräs virhelähde liittyy aallon murtumiseen. Ratkaisemalla turbulenssi suoraan, mallinnetun turbulenssin sijaan, laskentamallin kyky ennustaa murtuvaa aaltoa paranee. Murtuva peräaalto voi aiheuttaa ns. kastuneen laivan peräpeilin ja lisävastuksen. Ilmiö on haastava mallintaa aikakeskiarvotetussa laskennassa. Peräaaltoilmiöitä tutkittiin upotetulla tasolevyllä ja todellisella laivan geometrialla. Ratkaisemalla turbulenssi aallon murtuminen voidaan ennustaa paremmin kuin käyttämällä aikakeskiarvotettua ratkaisua. Laivamittakaavassa turbulenssin suora ratkaisu on kuitenkin laskennallisesti raskasta. Tässä työssä käytettiin päävirtauksessa ratkaistun turbulenssin laskemiseen alimallia laivan peräosassa. Alimallin sisäänvirtausreunaehdot otettiin aikakeskiarvotetusta mallista.
Työn kolmas tutkimusaihe liittyi laivan rungon pinnankarheuden mallinnusmenetelmiin. Pinnankarheuden vaikutusta peräaallon muotoon tutkittiin laivamittakaavassa aikakeskiarvotetulla ja ajansuhteen tarkalla menetelmällä. Numeeristen tulosten perusteella pinnankarheus lisää rajakerrospaksuutta laivan perässä, vaikuttaa peräaallon muotoon ja irtoamiseen laivan peräpeilistä. Työssä havaitaan, että kasvava pinnakarheus lisää kastuneen peräpeilin todennäköisyyttä. Lisäksi huomattiin, että kastunut peräpeili aiheuttaa vastuskomponentin mikä ilmenee, kun nopeuden muutos on riittävän suuri peräpeilin nurkassa.
Julkaisun otsikon käännös | Virtaussimulointimenetelmiä malli- ja laivamittakaavassa |
---|---|
Alkuperäiskieli | Englanti |
Pätevyys | Tohtorintutkinto |
Myöntävä instituutio |
|
Valvoja/neuvonantaja |
|
Kustantaja | |
Painoksen ISBN | 978-952-64-1074-6 |
Sähköinen ISBN | 978-952-64-1075-3 |
Tila | Julkaistu - 2022 |
OKM-julkaisutyyppi | G5 Artikkeliväitöskirja |
Tutkimusalat
- laivamittakaava
- haamufluidimenetelmä