Partitioned Fluid-Structure Interaction Simulation of Maritime Applications

Produktbeschreibung

In this work, the benefits of employing the partitioned approach in fluid-structure interaction simulations are demonstrated in four different examples: Simulations of a floating offshore wind turbine and a wave energy converter are used to analyze dynamic effects and improve the structural design. A multilayered submersible mixer validates the simulations by assessing local strains, thrust, and torque. Finally, an anisotropic ship propeller made of carbon-reinforced polymer is optimized with an evolutionary algorithm based on coupled simulations concerning efficiency, thrust, and cavitation.

Contents
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Purpose and scope of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Structural mechanics 5
2.1 Balance equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Constitutive equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Isotropic material modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 Anisotropic material modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Weak form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Spatial discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4.1 Shape functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4.2 Discretization of the weak form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Temporal discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.1 Central difference method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.2 Newmark method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.3 Generalized alpha method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 Solution of nonlinear equation systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.7 Post-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.8 Static condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Fluid mechanics 21
3.1 Basic equations of fluid mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Navier-Stokes equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2 Potential theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Finite volume method for the solution of the Navier-Stokes equations . . . 24
3.2.1 Spatial discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Temporal discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.3 Velocity-pressure coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Boundary element method for the computation of potential flows . . . . . 27
3.3.1 General formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2 Elementary solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.3 Spatial discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 Propeller parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 Fluid-structure interaction 35
4.1 Partitioned solution approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Extrapolation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Interpolation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.1 Nearest neighbor interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.2 Barycentric interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.3 Inverse distance weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.4 Mesh-based interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4 Convergence criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5 Convergence acceleration methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5.1 Static relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5.2 Aitken method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5.3 Quasi-Newton methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.6 Coupling framework comana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 Floating wind turbine 49
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Conceptual design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3 Simulation setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6 Wave energy converter 62
6.1 Conceptual design and experimental measurements . . . . . . . . . . . . . 62
6.2 Simulation setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7 Submersible mixer 71
7.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2 Simulation setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.3 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8 Ship propeller 81
8.1 KCS propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.1.1 Simulation setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.1.2 Numerical errors due to rotational movement . . . . . . . . . . . . 83
8.1.3 Stiffness variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.1.4 Comparison of convergence acceleration methods . . . . . . . . . . 90
8.2 Optimized propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.2.1 Optimization methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.2.2 Automatic framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.2.3 Anisotropic material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.2.4 Parameter study of anisotropic material . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2.5 Ship propeller optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
9 Summary and outlook 118
A Appendix 122
A.1 Ship propeller – simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Bibliography 124

Keywords: Fluid-Struktur-Interaktion, partitionierte Kopplung, Finite-Elemente-Methode, numerische Strömungsmechanik, maritime Anwendungen, schwimmende Windkraftanlage, Wellenenergiekonverter, Tauchrührwerk, Schiffspropeller, faserverstärkter Kunststoff, fluid-structure interaction, partitioned coupling, finite element method, computational fluid dynamics, maritime applications, floating wind turbine, wave energy converter, submersible mixer, ship propeller, fiber-reinforced polymer