flow and drag force around boat - finite element project - Or Hirshfeld - Technion

טכניון, מכון טכנולוגי לישראל – המסלול להנדסה חקלאית

מידול זרימת נוזל סביב סירה

פרוייקט בקורס אלמנטים סופיים

אור הירשפלד

3-21-2015

אור הירשפלדמידול נוזל סביב סירהפרויקט באלמנטים סופיים

תוכן עניינים3..............................................................................................................מטרת הפרוייקט

3................................................................................................................מודל המערכת

4.............................................................................משוואות שולטות והגדרת חומרים

5......................................................................................חישוב אנליטי עבור כוח גרר

7..........................................................................................................................תוצאות

7........................................................................................................תוצאות ראשוניות

7.............................................................................................מפת וקטורי המהירויות

8............................................................................................מפת קווים שווי מהירות

9................................................................................................מפת לחצים סטטיים

9..........................................................................................קווי זרימה מסביב לסירה

10.............................................................................................................כוחות גרר

11.................................................................................תוצאות לאחר הוספת איטרציות

11.................................................................................כוח גרר מחושב לכל איטרציה

11................................................................................שארית מחושבת לכל איטרציה

12.............................................................מפת וקטורי מהירות לאחר מספר איטרציות

12............................................................מפת לחצים סטטיים לאחר מספר איטרציות

13......................................................קווי זרימה מסביב לסירה לאחר מספר איטרציות

13..............................................................................כוח גרר לאחר מספר איטרציות

14...........................................................................................תוצאות הרצה תלויות זמן

14..............................................................................................כוח גרר כתלות בזמן

15...............................................................................................שאריות כתלות בזמן

15..................................................................וידיאו של השתנות הלחצים בתלות בזמן

15.................................................................וידיאו של השתנות המהירות כתלות בזמן

16...........................................................................הרצה עם זרימה במהירות גבוה יותר

16........................................................................כוח גרר כתלות בזמן במהירות גבוה

16.........................................................שארית שגיאה כתלות איטרציה במהירות גבוה

17...................................................................................כוח גרר סופי במהירות גבוה

18...................................................................הגדרת רישות צפוף יותר עם מהירות גבוה

18............................................................................................................רישות עדין

18......................................שארית שגיאה כתלות איטרציה במהירות גבוה ורישות צפוף

18......................................שארית שגיאה כתלות איטרציה במהירות גבוה ורישות צפוף

19.................................................................כוח גרר סופי במהירות גבוה ורישות עדין

19....................................................................לחץ סטטי במהירות גבוה ברישות עדין

19................................................ערך מהירות הנוזל במהירות סירה גבוה ברישות עדין

20.............................................וקטורי מהירות הנוזל במהירות סירה גבוה ברישות עדין

20...תקריב בירכתיי הסירה עבור וקטורי מהירות הנוזל במהירות סירה גבוה ברישות עדין

26/1הגדרת רישות צפוף יותר עם מהירות גבוהטכניון


21...................................................קווי זרימת הנוזל במהירות סירה גבוה ברישות עדין

22.............................................................................................................סיכום ומסקנות

24.........................................................................................................................מקורות



מטרת הפרוייקט כחלק מפרויקט בקרת שיוט אופטימלי ,תחת פרופ' אלוף גוטמן, בנינו מערכת ניסוי במעבדה

ובו שני סירות על שלט כאשר אחת משתמשת כמכשול שהשנייה צריכה לעקוף באופן אוטומטי בעזרת בקר חדשני שהציג שחר הדר בתזה שלו. הבקר מתחשב בנתונים הפיסקליים של המערכת ולכן חשוב לדעת את כוח הגרר הפועל על הסירה לכן החלטי למדל את הסירה

בנוסף הייתי מוענין לדעת איך הזרימה מסביב לסירה נראת בכלל ואפקטיםANSYSבעזרת ספציפפים בפרט להלן: מרחק ההשפעה של הסירה על הזרימה, היכן הזרימה מתחזקת, היכן

נוצר תת-לחץ, לחץ מקסימלי על דפנות הסירה.

מודל המערכת כיווצתי את המודל כך(Ozbahadir, 2014)הורדתי דגם תלת-מימד מוכן לסירה על שלט

למימדים של הבעיה הנתונה. אמנם המודל גם לאחר הגדרות להפחתת האלמנטיםשיתאים היה מפורט מידי והתוכנה יצרה הרבה אלמנטים שאין צורך בהם, לכן לקחתי מודל פשוט יותר

(Spehr, 2013).והוספתי לו לוחות הגה

(Spehr, 2013) ומודל פשוט משמאל(Ozbahadir, 2014) - מודל מפורט מימין 1איור

שניתן לעשותANSYS Fluentראיתי כי יש כמה אפשרויות עיקריות לפיתרון בעיות עם סירה: Ansys Aqwaמימדי, למידול זרימה תלת-ANSYS CFX (Warzecha, 2007)מידול זרימה דו-מימדי,

.(boghya, 2012)המיועד למידול ים

אמנם לאחר בניית המודל והגדרת רישות גילתי כי איןAqwaתחילה ניסיתי למדל בעזרת רישיון עבור תוספת זאת לכן בחנתי את האפשרויות האחרות ולבסוף בחרתי לפשט את

.Fluentהמודל לדו-מימד בעזרת

בכדי לקבל פתרון דו-מימדי יצרתי חתך של אזור הציפה של הסירה, תחילה נעבוד עם רישותאוטמטי.



- רישות אוטומטי לבעיה2איור

משוואות שולטות והגדרת חומרים יש שני משוואות שולטות, האחת היא שימור מסה והשנייה היא שימור תנעAnsys Fluentעבור

(Ansys, 2009) טרובלנטית עובדים עם משוות נוויה סטוקס עם מיצוע ריינולדס. בנוסף בזרימה

- שימור מסה 1משוואה

- שימור תנע2משוואה

- נוויה סטוקס עם מיצוע ריינולדס3משוואה

נראה כי הפרמטרים החשובים עבורנו הם צמיגות וצפיפות הנוזל.

(Fluidעבור המשטח נגדיר מים נוזלים מתוך הספרייה של החומרים ונגדיר אותם עבור הזורם ).kg/m^3 1000 וצפיפות היא m^2/s 6^-10, צמיגות דינמית היא

שבשימוש בצעצועיםHigh Impact Polystyrene( נגדיר ידנית פלסטיק בשם Solidעבור המוצק ).kg/m^3 (Azo Materials, 2013) 1080מסוג זה עבורו הצפיפות היא

הנוזל מצד שמאל,,: כניסה(Jr, Steady Flow Past a Cylinder, 2015)ונגדיר את גבולות הנוזל יציאת הנוזל מצד ימין, גבולות זרימת הנוזל שהם הקצוות וחתך הסירה. בנוסף הוגדר מהירות

התחלתית והצגת פתרון גם עבור כוח גרר.

5 קשר( ולאחר מכן 2 מטר/שנייה )כ-1מהירות הנוזל תוגדר תחילה עבור מהירות נמוכה של קשר(.10מטר לשנייה )כ-


גבולותהנוזל

כניסתהנוזל

יציאתהנוזל


חישוב אנליטי עבור כוח גרר ברוחב(Beardmore, 2013)תחילה נראה חישוב ראשוני במודל פשוט עם צילנדר אינסופי עגול

מטר, וגם עבור פלטה אינסופית המוצבת בניצב לזרימה. בנוסף נראה חישוב0.2 של הסירהעבור חתך אליפטי.



נראה כי מספר הריינולדס גבוה וצפוי להיות על גבול מעבר לזרימה טרובלנטית במערכת.(ANSYS, 2010)מאחורי הסירה



תוצאותתוצאות ראשוניות

מפת וקטורי המהירויות



מפת קווים שווי מהירות

נוכל לראות שנוצר מהירות זרימה מקסימלית במעבר בין הדפנות אל אזור הירכתיים, נוכל גם לראות שיש צפיפות גובה היכן שהרישות עדין יותר. ניתן לראות שהזרימה בדפנות מתגברת,

זה בגלל שדפנות הזרימה קרובות מידי לסירה ולכן זה מדמה שיוט בתעלה צרה ולא ביםפתוח.



מפת לחצים סטטיים

קווי זרימה מסביב לסירה



כוחות גרר



תוצאות לאחר הוספת איטרציותכוח גרר מחושב לכל איטרציה

שארית מחושבת לכל איטרציה



.0.001ניתן לראות כי המודל אינו מצליח להתכנס מעבר לשארית של

מפת וקטורי מהירות לאחר מספר איטרציות

נראה שחל שינוי בגדלי המהירויות ובמיקומם אמנם שדה הזרימה נשאר דומה.

מפת לחצים סטטיים לאחר מספר איטרציות



נראה כי מפת הלחצים כעת מראה על אזור קטן יותר בחרטום שקיים בו לחץ גבוה.

קווי זרימה מסביב לסירה לאחר מספר איטרציות

ניתן לראות כי נוצרת מערבולת בירכתיי הסירה שלא ראינו במודל הקודם.

כוח גרר לאחר מספר איטרציות

נראה הבדל גדול בכוח גרר לאחר מספר איטרציות.



תוצאות הרצה תלויות זמן פריימים,100נעבור להרצה תלויות זמן כדי לראות מה קורה כאשר הסירה מאיצה. הוגדר

שניות 20 מילי שניות לכן הדמייה היא עבור 200כאשר יש פריים כל (Jr, FLUENT - Unsteady Flow Past a Cylinder, 2014).

כוח גרר כתלות בזמן

נראה כי לאחר שנייה וחצי המודל מתייצב על כוח גרר קבוע



שאריות כתלות בזמן

נראה כי השארית מתכנסת ככל שנריץ יותר זמן.

וידיאו של השתנות הלחצים בתלות בזמן

מוגדר לולאה הרצה כמה פעמים. ניתן לראות שבתחילה הלחץ הגבוה בגלל ההאצההפתאומית ולאחר מכן הלחצים מתייצבים.

וידיאו של השתנות המהירות כתלות בזמן

ניתן כי שדה המהיריות מתייצב תוך כשנייה.

למידול טוב יותר ניתן להגדיר תאוצה התחלתית במקום מהירות



הרצה עם זרימה במהירות גבוה יותר מטר לשנייה5 קשרים השווים בערך ל-10כעת נריץ במהירות שיוט של ספינות כ-

כוח גרר כתלות בזמן במהירות גבוה

נראה כי יש התכנסות תוך פחות משנייה על הפתרון לכוח גרר

שארית שגיאה כתלות איטרציה במהירות גבוה

נראה כי השגיאה פחות מתייצבת מאשר במהירויות נמוכות



כוח גרר סופי במהירות גבוה

.5, למרות שמהירות עלתה רק פי 25נראה כי הכוח גרר עלה משמעותית, פי



הגדרת רישות צפוף יותר עם מהירות גבוהנגדיר רישות צפוף יותר בעזרת עידון על כל המשטח כדי לקבל תוצאות טובות יותר.

רישות עדין

שארית שגיאה כתלות איטרציה במהירות גבוה ורישות צפוף

שארית שגיאה כתלות איטרציה במהירות גבוה ורישות צפוף



כוח גרר סופי במהירות גבוה ורישות עדין

נראה כי כוח הגרר אכן השתנה משמעותית ברישות עדין יותר

לחץ סטטי במהירות גבוה ברישות עדין

ערך מהירות הנוזל במהירות סירה גבוה ברישות עדין



בדרך כלל מומלץ להוסיף רישות של אלמנטים על הפתרון אמנם בתוספת זאת, צבעי הרישות הם בצבע ירוק ויוצר קושי להבחין בנו לבין ערכי הפתרון.

וקטורי מהירות הנוזל במהירות סירה גבוה ברישות עדין

תקריב בירכתיי הסירה עבור וקטורי מהירות הנוזל במהירות סירה גבוה ברישות עדין

ניתן לראות שנוצרים ערבולים במהירות נמוכה כפי שנצפה בחישוב מספר ריינולדס.



קווי זרימת הנוזל במהירות סירה גבוה ברישות עדין



סיכום ומסקנותלהלן השוואת הפתרונות השונים.

כוח גרר עבור מ'/ש' ]1מהירות

N]

כוח גרר עבור מ'/ש' ]5מהירות

N]87.96471.2תאורטי - גליל אינסופי

תאורטי - פלטה125.73142אינסופית

4.398110תאורטי - גוף אליפטי1032חישוב נומרי ראשון

33.77838.6לאחר מספר איטרציות

נראה כי יש הבדל גדול בין הפתרונות האנליטיים המעיד על אפשרות להקטנת כוח הגרר בעזרת שימוש בחתך נכון. בנוסף נראה הבדלים בין החישוב התאורטי אל המודל בגלל

שהחישוב התאורטי בנוי עבור צורות מסוימות ואינו כולל את כל הצורות האפשרויות.

פרוייקט זה בוצע לשני מטרות, האחת היא הבנת הזרימה וכוחות הגרר בסירה ששטה ובנוסף היא הכרת יכולות תוכנת האלמנטיים הסופיים עבור הדמיית נוזלים, להלן המסקנות והצעות

לשיפור:

נראה כי ניתן למדל תנועה של סירה ע"י קיבועה והזרמת הנוזל סביבה..1נראה כי ניתן לעבוד במודל דו-מימדי הנותן תוצאות בזמן מהיר יותר..2 לאחר החישוב הוצג מרחבית של לחצים שונים בנוזל, קווי הזרימה ,ערך המהירות.3

וכיוונה. אמנם ניתן להציג גם נתונים רבים נוספים כמו מספר ריינולדס ועירבול הנוזל.למציאת כוחות, כמו כוח גרר וכוח עילוי, יש תחילה להגדיר אותם..4מומלץ לתת לתוכנה לרוץ על מספר איטרציות לקבלת ערך נכון..5 יש לעקוב אחר התכנסות הפתרון ולראות אם צריך איטרציות נוספות ואם השגיאה.6

עומדת בהגדרות שלך. למידול טוב יותר של זרימה בים יש להגדיר את דפנות הזרימה רחוק יותר מאשר.7

הוגדר במודל זה.יש להגדיר בקפידה נתוני התחלה לזרימה בהתאם לפתרון הרצוי..8 ישנה בעיה כאשר אנו רוצים לראות ההאצה כי נתוני התחלה משתנים בבת אחת.9

לאחר הצעד הראשון. כדאי לבדוק אם יש אפשרות להאיץ את הנוזל בהדרגה. שטח מגע הסירה עלול להשתנות בעת תנועת הסירה ולכן מידול דו-מימדי מוגבל.10

בקירובו למציאות. לכן למציאת ערכי גרר אמיתיים עדיף למדל במודל תלת-מימדי. במקרה של מהירות קבועה ללא גלים אכן ייתכן שטח מגע רציף אמנם תחתית הסירה.11

היא מעוגלת וזה לא מדויק למדל דו-מימדי.לא הוכנסו אפקטים של גלים וזרמים שונים העלולים להשפיע על התוצאות..12נלמד כי כוח הגרר אינו לינארי למהירות..13 ניוטון.838 קשר הוא 10כוח הגרר הצפוי במהירות של עד .14 ניתן לבחון את תחום ההשפעה של הסירה על הנוזל בירכתיים, אמנם במודל זה לא.15

הוארך מספיק אזור הזרימה לכן לא ניתן לראות את כל אזור ההשפעה. ניתן להבין את הלחץ המופעל על דופן הסירה ולראות כי רובו, כצפוי, מתרכז בחרטום.16

קשר.10 פסקל עבור מהירות של 1350הסירה. עד 8.3נראה כי מהירות מקסימלית של הנוזל היא בדפנות במסוך לחרטום וערכה היא .17

קשר.10מטר לשנייה עבור מהירות שיוט של נראה כי באותו אזור של מהירות מקסימלית גם מתפתח תת-לחץ מקסימלי של.18



בעזרת יצירת וידיאו ניתן ללמוד על השתנות הזרימה כפונקציית הזמן..19יש לבדוק את התוצאות ברישות עדין יותר לראות שאין שינוי גדול..20ניתן לראות כי נוצרים ערבולים במהירות נמוכה בירכתיי הסירה..21יש בעיה בהצגת הרישות על גבי תוצאות בגלל צבעים דומים..22נוכל לראות היווצרות ערבולים בירכתיי הסירה כפי שצפינו לפי מספר ריינולדס..23.(Gallardo, 2014)ניתן לחשב את את מקדם החיכוך לאורך הסירה ע"י ניתוח התוצאות .24 ובמודל רגיל אין(Versteeg, 1995)תנאי הגבול של הזרימה מוגדרים כמהירות אפס .25

בות בחיספוס המשטח. אמנם ניתן להגדיר באופן מיוחד שכן יהיה התחשבותהתחש.אין תאריך(, virginia tech)בחיספוס המשטח

הגדרות החומר עבור המוצק משפיעה רק כאשר נרצה לנתח מעבר חום בין הנוזל.26.(Ansys, 2009)למוצק

ניתן לבדוק גם את הדפורמציה בסירה מנתונים של לחצי המים אמנם זה מודל יותר.27 , ויש לחבר את נתוני הלחץ עם מודלFLUENTמסובך שאינו כלול במודל הבסיסי של

.Structural Analysis (Ansys, 2015) (RAJA, 2012)של



מקורותAnsys. (April 2009). Ansys. אוחזר מתוך orange.engr.ucdavis.edu:

http://orange.engr.ucdavis.edu/Documentation12.0/120/FLUENT/flth.pdf

ANSYS. (Nov 2009). ANSYS AQWA Help in Workbench. אוחזר מתוך engr.ucdavis.edu: http://orange.engr.ucdavis.edu/Documentation12.1/121/wb_aqwa.pdf

Ansys. (29 Jan 2009). Defining Materials. אוחזר מתוך fluent: http://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/ug/node275.htm

ANSYS. (Dec 2010). Turbulence Modeling. אוחזר מתוך http://imechanica.org/: http://imechanica.org/files/fluent_13.0_lecture06-turbulence.pdf

Ansys. (2015). Fluid–Structure Interaction. אוחזר מתוך ansys.com: http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Fluid+Dynamics/

Fluid+Dynamics+Products/ANSYS+Fluent/Features/Fluid%E2%80%93Structure+Interaction

Azo Materials. (11 Jun 2013). High Impact Polystyrene - HIPS אוחזר מתוך .Azo Materials: http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=424

Beardmore, R'. (28 Jan 2013). Fluids Drag אוחזר מתוך .roymech.co.uk: http://www.roymech.co.uk/Related/Fluids/Fluids_Drag.html

boghya. (16 March 2012). ANSYS-AQWA: Container ship, heading 15deg, speed 35m/s, amplitude 3m, freq. 0.05Hz. אוחזר מתוך youtube:

https://www.youtube.com/watch?v=7VY0S15qEo8

Gallardo, J' G'. (3 Nov 2014). Flat Plate Boundary Layer - Numerical Resultsאוחזר מתוך . SimCafe:

https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/Flat+Plate+Boundary+Layer+-+Numerical+Results

Jr, J' M'. (08 Feb 2014). FLUENT - Unsteady Flow Past a Cylinder אוחזר מתוך .SimCafe: https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/FLUENT+-

+Unsteady+Flow+Past+a+Cylinder

Jr, J' M'. (10 Feb 2015). Steady Flow Past a Cylinder אוחזר מתוך .SimCafe: https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/Steady+Flow+Past+a+Cylinder+

-+Physics+Setup

Ozbahadir, E'. (5 Nov 2014). Printable RC Speed Boat 820mm (32") אוחזר מתוך .GrabCad: https://grabcad.com/library/printable-rc-speed-boat-820mm-32-1

RAJA, R' S'. (2012). Coupled fluid structure interaction analysis. אוחזר מתוך chalmers: http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/172681/172681.pdf

Ramayan, U'. (2 Nov 2013). ANSYS AQWA TUTORIAL-MOORING LINE DESIGN.אוחזר מתוך Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=47xmiEi9FQY

Schofield, P'. (26 Nov 2012). ANSYS Aqwa in Workbench. אוחזר מתוך ansys: https://storage.ansys.com/corp/2012/November/aqwa/wb_update.pdf



Spehr, R'. (08 July 2013). boat hull design. אוחזר מתוך grabcad: https://grabcad.com/library/boat-hull-design-1

Versteeg. (1995). An Introduction to Computational Fluid Dynamics The Finite Volume Method. Longman Scientific & Technical אוחזר מתוך .wikipedia:

http://en.wikipedia.org/wiki/Different_types_of_boundary_conditions_in_fluid_dynamics

virginia tech .)אין תאריך( .Wall Boundary Conditions אוחזר מתוך .virginia tech: http://www.arc.vt.edu/ansys_help/flu_ug/flu_ug_sec_bc_wall.html

Warzecha, N'. (2007). Going for the Gold. Ansys Advantage, 20-21 אוחזר מתוך .ansys.com: http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-

V1-I3-Going-for-the-Gold.pdf

Zdravistch, F'. (2008). Hydrodynamics Analysis of Ships Side by Side. אוחזר מתוך sname.org: http://legacy.sname.org/sections/texas/Meetings/2008/December%20Luncheon/

SNAME-2008-p.pdf


flow and drag force around boat - finite element project - Or Hirshfeld - Technion

Science

Transcript of flow and drag force around boat - finite element project - Or Hirshfeld - Technion