Numeryczna mechanika płynów – kiedyś dostępna tylko dla największych biur projektowych tworzących jachty do Pucharu Ameryki, dzisiaj staje się codziennością nawet dla projektantów małych łodzi. Jest doskonałą alternatywą dla badań modelowych na basenie holowniczym. Nie zastępuje ich w 100%, ale pozwala zaoszczędzić znaczną ilość czasu i środków.
Wykorzystanie CFD w projektowaniu jachtów
Projektowanie jachtów to proces, w którym bezpieczeństwo, osiągi i komfort użytkowników zależą od wielu wzajemnie powiązanych czynników. O ile obliczenia konstrukcyjne i hydrostatyczne są możliwe do wykonania nawet na kartce papieru, o tyle analiza hydrodynamiczna wymaga już bardziej zaawansowanego podejścia. Problemy pojawiają się szczególnie przy szybkich łodziach przekraczających 40 – 50 węzłów. Jeżeli zignorujemy hydrodynamikę, mogą pojawić się niebezpieczne zjawiska takie jak:
- chine walking – gwałtowne przechyły boczne,
- porposing – niestabilny kąta trymu wzdłużnego,
- bow steering – niekontrolowane skręcanie na falach.
Współczesne narzędzia CFD pozwalają przewidywać niebezpieczne zachowania jednostki na wodzie jeszcze przed rozpoczęciem budowy prototypu.
Oprócz kwestii bezpieczeństwa, numeryczna mechanika płynów ma szerokie zastosowanie w branży jachtowej:
- optymalizacja oporów kadłuba, płetw, hydropłatów i nadbudówek,
- zmniejszenie zużycia paliwa,
- optymalizacja żagli i takielunku,
- sterowność i manewrowość,
- zachowanie na fali i komfort załogi,
- optymalizacja śruby napędowej.
Analiza przepływu wokół hydropłata do jachtu Volantis
Ile kosztują programy do CFD?
Jak ze wszystkim co dotyczy jachtów – „to zależy”. W zależności od możliwości mogą kosztować od kilku do kilkudziesięciu tysięcy złotych rocznie. Coraz częściej wykupienie subskrypcji jest jedyną opcją uzyskania dostępu do takich programów. Jeżeli jednak nie potrzebujemy ładnego interfejsu i mamy dużo czasu i chęci na naukę to istnieje takie oprogramowanie jak OpenFOAM. Jest to program open source tworzony przez społeczność programistów na całym świecie i jest narzędziem do zaawansowanych analiz hydrodynamicznych. Umożliwia m.in. symulację:
- przepływu laminarnego i turbulentnego,
- zjawisk dwufazowych (powietrze–woda),
- falowania i oddziaływania fali na kadłub,
- ruchów swobodnych jednostki (heave, pitch, roll),
- kawitacji i pracy śruby,
- oporów całkowitych i rozkładu ciśnień.
W praktyce oznacza to, że możemy przewidzieć, jak jacht zachowa się w rzeczywistych warunkach eksploatacji – zanim zaczniemy frezować kopyto, czy palić blachy kadłuba.
Poniżej przedstawiamy przykład analizy oporu kadłuba łodzi motorowej na wodzie spokojnej w programie OpenFOAM. Razem z OpenFOAM instalują się nam oficjalne tutoriale i jednym z nich jest „DTCHullMoving”. Jest do świetna baza do symulacji przepływów dwufazowych (woda-powietrze) oparta na solverze interFoam.
Jak wygląda proces analizy CFD?
1. Przygotowanie geometrii
W naszym przypadku kadłub zaprojektowany w programie Rhinoceros upraszczamy tak, żeby był wolny od zbędnych detali, które nie mają wpływu na wynik, a mogą niepotrzebnie wydłużyć obliczenia. Model kadłuba przeskalowujemy do metrów (tak żeby w OpenFOAM jedna jednostka = jeden metr), eksportujemy do formatu STL (Format: ASCII) i wklejamy do nasz_folder_roboczy/constant/triSurface
Każda symulacja w OpenFOAM składa się z folderów:
- /0 – z warunkami brzegowymi,
- /constant – ze stałymi wartościami (m.in. geometrią kadłuba),
- /system – służący do sterowania symulacją.
OpenFOAM nie posiada interfejsu graficznego. Cały projekt przygotowujemy w formie plików tekstowych w odpowiednich folderach, a symulacje uruchamiamy komendami w konsoli Linuxa.
2. Generowanie domeny
Do stworzenia domeny w OpenFOAM używamy blockMesh. Ważne, żeby domena nie była zbyt mała, bo ściany zbiornika będą oddziaływały na kadłub, ani za duża, bo wydłuży to czas obliczeń. W tym przypadku do obliczeń oporu kadłuba o długości około 6 m używamy domeny o wymiarach 40x15x10 m.
Domenę wypełniamy wodą do określonego poziomu przy użyciu setFields
3. Generowanie siatki obliczeniowej
To jeden z najważniejszych etapów. Siatka musi być:
- wystarczająco gęsta w rejonach kluczowych (dziób, pawęż, redan, itp.),
- stabilna numerycznie (bez elementów o dziwnych kształtach, które generują błędy),
- zoptymalizowana pod kątem czasu obliczeń (nie za gęsta, bo obliczenia zajmą wieczność).
W OpenFOAM wykorzystujemy m.in. snappyHexMesh, który pozwala tworzyć siatki heksagonalne dopasowane do geometrii.
Jeżeli chcemy uzyskać sensowne wyniki oporu kadłuba, koniecznie musimy zagęścić siatkę w warstwie przyściennej (addLayersControls). Gęstszą siatkę potrzebujemy również w okolicach powierzchni wody. Pozwoli to na wygenerowanie bardziej realistycznej fali dziobowej i rufowej.
4. Definicja warunków brzegowych
W folderach /0 i /constant ustalamy:
- prędkość przepływu,
- model ciśnienia,
- model turbulencji,
- powierzchnię swobodną wody,
- stopień swobody ruchów kadłuba,
- kierunek i siłę działania grawitacji.
5. Obliczenia
W zależności od złożoności modelu analiza może trwać od kilku godzin do… w zasadzie tak długo jak długo będziemy płacili rachunki za prąd. Podobnie jak w analizach MES, większa liczba elementów zwiększa dokładność, ale wydłuża czas obliczeń.
Jeżeli mamy do dyspozycji więcej niż jeden rdzeń procesora (o ile nie cofnęliśmy się w czasie do 2005 roku to mamy) to możemy obliczenia przyspieszyć używając funkcji decomposePar, a następnie uruchomić symulacje w trybie równoległym. Na koniec wyniki trzeba połączyć w całość przy użyciu komendy reconstructPar. Nie zawsze użycie wszystkich dostępnych rdzeni będzie najszybszą opcją. Ilość rdzeni dobieramy do ilości komórek naszego modelu (cells). Na jeden rdzeń procesora nie powinno przypadać mniej niż 50k – 100k komórek (optymalnie 200k-300k).
6. Interpretacja wyników
Wyniki sił i momentów w formie tabelki w excelu możemy znaleźć w folderze /postProcessing.
Wyniki w formie graficznej przeglądamy w programie ParaView.
Otrzymujemy:
- rozkład ciśnień na kadłubie,
- siły i momenty działające na jednostkę,
- kształt fali dziobowej i rufowej,
- trym i zanurzenie kadłuba w ruchu.
Otrzymane wyniki najlepiej porównać z metodami empirycznymi, czyli w przypadku łodzi ślizgowej, obliczyć opory kadłuba i trym przy użyciu metody Savitskiego. Jeżeli wyniki odbiegają od siebie znacznie to należy przyjrzeć się dokładnie ustawieniom symulacji i szukać błędów. Komputer poda wynik niezależnie od tego czy nasze dane wejściowe mają cokolwiek wspólnego z rzeczywistością, czy też nie. Z tego względu analiza wyników wymaga dużego doświadczenia i skrupulatności.
Pokazany przykład jest tylko jedną z wielu opcji przeprowadzenia takich obliczeń w programie OpenFOAM.
Podsumowanie
Analizy CFD stanowią dziś nieodłączny element projektowania nowoczesnych jachtów. Dzięki OpenFOAM możemy przewidywać zachowanie jednostki na wodzie, optymalizować jej kształt i poprawiać bezpieczeństwo oraz komfort użytkowników. Podobnie jak obliczenia wytrzymałościowe czy proces certyfikacji, CFD wymaga wiedzy inżynierskiej, doświadczenia i umiejętności interpretacji wyników. Dopiero połączenie tych elementów pozwala stworzyć jacht, który będzie szybki, bezpieczny i ekonomiczny.