Bruk av CFD innen marin hydrodynamikk

Transkript

1 Bruk av CFD innen marin hydrodynamikk Seminar om konstruksjonssikkerhet Petroleumstilsynet 25. aug 2010 Tone M. Vestbøstad, Statoil 1 - Classification: Internal

2 Oversikt Hva er CFD? Hvorfor CFD? (eller hvorfor ikke?) Kompleks hydrodynamikk i offshoreindustrien Numeriske metoder oversikt og utfordringer Eksempler på bruk av CFD i industri og forskning Bølgeslag mot dekk Brytende bølger mot søyler Slamming på livbåter Konklusjon 2 - Classification: Internal

3 3 - Classification: Internal Hva er CFD (Computational Fluid Dynamics)? Numeriske metoder som løser Navier-Stokes ligning Består av: Strømningsløser (inklusive gridmetode) Metode for overflatebehandling Tidsløser Robuste og stabile under komplekse strømningsforhold. b i i j j i j i j i j i f x u x u x x p x u u t u = + µ ρ ρ Φ =

4 Hvorfor CFD? (eller hvorfor ikke?) Hvorfor bruke CFD? Gjør det mulig å analysere komplekse strømninger Gir et mer detaljert strømningsbilde enn andre metoder Lett å endre parametre og geometri i forhold til modellforsøk Hvorfor ikke? Lang simuleringstid og/eller unøyaktige resultater Kun deterministiske analyser Numeriske feil og modellfeil kan være vanskelige å oppdage En kombinasjon av enkle analyser, modellforsøk og mer avansert analyse som f. eks CFD er fortsatt den beste metoden for en inngående analyse 4 - Classification: Internal

5 Kompleks hydrodynamikk i offshoreindustrien Grønn sjø Bølger i dekk Run-up Slamming Lifeboat 5 - Classification: Internal

6 Numeriske metoder - oversikt 6 - Classification: Internal

7 Overflatemetoder: skarp overflate vs overflatelag BEM SPH Level Set CIP VoF 7 - Classification: Internal

8 Valg av metode Hvilke effekter er viktige for problemet ditt? Rotasjonsfri strømning Laminær vs turbulent strøming Kompressibel vs inkompressibel strømning Stort åpent domene vs lukket domene 8 - Classification: Internal

9 The devil in the detail VOF interface capturing Improved VOF interface capturing Pressure distribution for two different body boundary schemes 9 - Classification: Internal

10 Eksempler på bruk av CFD Bølger i dekk Brytende bølger mot søyler Livbåtdropp 10 - Classification: Internal

11 Bølgeslag i dekk Wave Impact JIP (Marintek): 2D og 3D modellforsøk med dekkboks sammenlignet med: Forenklet metode basert på Wagner og potensialteori Star-CCM +: FVM, VoF overflate, fast grid (Marintek) Fluent: FDM, VoF overflate, fast grid (Marintek) ComFlow: FVM, VoF overflate, fast grid (Aker solutions) Wimpact: FDM, CIP overflate, fast grid (Statoil/Cesos) F y [N] CIP Exp, Run 1 Exp, Run t [s] 11 - Classification: Internal

12 Bølgeslag i dekk (forts) 3-D analyse av bølger i dekk på jacketplattform med bruk av Comflow (Force Technology) 12 - Classification: Internal

13 Brytende bølger mot søyler Wave Impacts JIP (Marintek): Modellforsøk av brytende bølger mot søyle sammenlignet med Star CCM + beregninger. Brytende bølger på grunt vann: Statoil forskningsprosjekt (oppstart 06/10) med tanke på design av vindturbinfundamenter på grunt vann Classification: Internal

14 Livbåtdropp med og uten bølger Slamming krefter, akselerasjoner og defleksjoner under dropp CFD beregninger sammenlignet med modellforsøk og fullskalaforsøk 14 - Classification: Internal

15 Oppsummering CFD for marin hydrodynamikk brukes aktivt både innen forskning og industri. Valg av metode og kode avhenger av problemstillingen som skal analyseres. De fleste kommersielle kodene som brukes innen marin hydrodynamikk i dag er basert på samme metode. Hovedutfordringer er korrekt bølgekinematikk og domenestørrelse. Kun deterministiske analyser tilgjengelig valg av designbølger og lasttilfeller viktig. Detaljkunnskap og erfaring med koden er nødvendig for å oppnå pålitelige resultater. Sunn ingeniørpraksis gjelder fortsatt kombiner avanserte analyser med enklere metoder! 15 - Classification: Internal

16 Takk Numeriske metoder for sterkt ikke-lineær hydrodynamikk Tone M. Vestbøstad, PhD Overingeniør tel: Classification: Internal