Multiskalno nelinearno i viskozno numeričko modeliranje udarnih valnih opterećenja

Numerical framework for simulation of wave impact loads on ships and offshore structures in ocean environment is developed in this study, where fully nonlinear, viscous, turbulent and compressible two–phase flow is considered. Number of numerical methods and models are developed, tested and applied to provide a clear, comprehensive, reliable, robust and efficient numerical procedure for assessing wave impact loads on marine structures, with emphasis on green sea loads. The computational efficiency of the framework is improved by developing enhanced hydro–mechanical coupling strategies which reduce the number of nonlinear iterations required for the fluid flow–rigid body motion coupling to converge. A detailed verification and validation of the present numerical model is performed in order to ascertain the accuracy and precision in calculating green sea pressure loads, where a novel geometrical Volume–of–Fluid method is used and evaluated. Furthermore, a two–phase flow model is developed where water is assumed to be incompressible, while air is modelled as ideal adiabatic gas. The abrupt change in fluid properties across the interface, mainly density and compressibility, is handled with the Ghost Fluid Method, while Volume–of–Fluid method is used for interface capturing. The Ghost Fluid Method allows a one–cell–sharp representation of the interface with respect to the density field as well as compressibility effects, thus accurate and conservative trapped air cushioning effects can be captured, which is the main goal of the present numerical model. A pressure based formulation and the assumption of isentropic compression/expansion results in a highly efficient method, where no notable overheads exist with respect to the incompressible version of the model. The model is thoroughly verified and validated for flows without significant compressibility effects, as well as events where trapped air compression effects are important, such as breaking wave impact and free fall impact. Finally, a complete procedure for assessing wave impact loads is conducted with the developed model for an Ultra Large Container Ship, where green water loads on a deck structure at the bow are sought. The procedure relies on linear frequency domain method to provide a long term distribution of ship response, which is in turn used to define a deterministic design wave. Two different approaches for defining the design wave are used and compared. The development conducted in this work is performed within the Naval Hydro Pack software library, which is based on collocated Finite Volume method–based Computational Fluid Dynamics software foam–extend, community driven fork of the open–source software OpenFOAM.Brodovi i pučinski objekti izloženi su djelovanju vjetra i valova, pri čemu udarna valna opterećenja predstavljaju posebnu opasnost za sigurnost posade, opreme i broda. Relativno niska vjerojatnost pojave ekstremnih valnih udara čini ih teškim za opisati i predvidjeti, dok predstavljaju vrlo značajan faktor prilikom projektiranja konstrukcija pomorskih objekata. Ekstremna valna opterećenja zbog toga predstavljaju važan izazov ne samo zbog sigurnosti konstrukcija već i zbog potencijalnih ušteda koje se mogu postići smanjenjem dimenzija konstruktivnih elemenata novogradnje uslijed boljeg poznavanja pojave valnog udara. Postoje razne pojave koje su vezane uz udarna valna opterećenja poput udaranja pramca (eng. "slamming") i opterećenja uslijed vode na palubi (eng. "green sea"). Karakteristike takvih pojava su komplicirana i brzo mijenjajuća geometrija slobodne površine, te visoki gradijenti tlaka tokom udara uz moguće utjecaje stlačivosti zarobljenih mjehura zraka. Trendovi u pomorskoj industriji usmjereni su projektima koji u sve većoj mjeri izlažu objekte nepovoljnim valnim udarima, poput sve dužih brodova za prijevoz kontejnera kod kojih velika vertikalna gibanja na pramcu uzrokuju udaranje pramca te opterećenje uslijed vode na palubi, ili Floating Production, Storage and Offloading objekata koji se sidre na način da im je ograničeno zaošijanje zbog cega se nisu u mogućnosti okrenuti pramcem u smjer vala i vjetra, te su iz tog razloga izloženi velikim amplitudama ljuljanja prilikom čega dolazi do prolijevanja vode na palubu [1]. Prilikom predviđanja takvih opterećenja, linearne spektralne metode koje se zasnivaju na potencijalnom modelu strujanja su vrlo korisne [2]. Koristeći spektralan pristup odzivu pomorskih objekata moguće je odrediti dugoročan odziv konstrukcije, koji pruža važne informacije vezane za cijeli životni vijek objekta koje su od velike važnosti prilikom projektiranja. Pomoću spektralne analize može se odrediti vjerojatnost premašivanja određenog ekstremnog događaja što je vrlo korisno za detekciju i opis takvog događaja. Iako se vjerojatnost premašivanja može odrediti za ekstreman događaj, predviđanje lokalnog odziva konstrukcije uslijed istog nadilazi mogućnosti pojednostavljene linearne spektralne metode. Iz tog se razloga pribjegava metodama koje točnije opisuju fiziku poput eksperimentalnih ispitivanja ili Računalne Dinamike Fluida (RDF). Eksperimentalne metode imaju dugu tradiciju i visoku točnost, te se desetljećima uspješno koriste za određivanje ekstremnih valnih opterećenja. Numeričke metode kao što je RDF su pod intenzivnim razvojem u industriji i akademskom svijetu, te je potreban daljnji razvoj na području robusnosti i isplativosti za svakodnevno korištenje u industriji. Iako su eksperimentalne metode pouzdane, cesto su kompleksne, skupe i dugotrajne, zbog cega se u industrijskom projektiranju uglavnom koriste za konačnu potvrdu projekta, ili unutar velikih industrijskih istraživanja. S obzirom na navedeno, postoji potreba za bržim metodama koje se mogu koristiti ranije u projektnom procesu. Numeričke metode su jeftinije, brže i mogu se vršiti u prirodnoj veličini izbjegavajući problem skaliranja, zbog čega predstavljaju alternativu eksperimentalnom ispitivanju. Razna istraživanja se bave poboljšanjem točnosti, robusnosti i pouzdanosti RDF metoda kako bi se mogle koristiti u industrijske svrhe. Postoje dvije osnovne grupe RDF metoda: metoda Lagrangeovih cestica (eng. "Smoothed Particle Hydrodynamics") i metode kontrolnih volumena (eng. "Finite Volume"). Obje grupe metoda imaju određene prednosti i nedostatke, međutim u posljednje vrijeme metode bazirane na kontrolnim volumenima dobivaju više pozornosti zbog šireg raspona aplikacije te računalne učinkovitosti. Prilikom valnog udara mjehur zraka može ostati zarobljen unutar vode ili između slobodne površine i površine trupe pomorskog objekta. Zarobljen zrak može značajno promijeniti trajanje i intenzitet tlačnih opterećenja prilikom udara [3, 4, 5, 6]. Stlačivost zraka ima značajan utjecaj tokom udara zbog prijenosa mehaničke energije između vala i zračnog mjehura zbog čega volumen, tlak i gustoća zraka osciliraju. Stlačivost zraka prilikom udara produžuje djelovanje tlačnog opterećenja na konstrukciju, što može uzrokovati veci prijenos energije na konstrukciju te veći strukturni odziv. Nadalje, ako je zracni mjehur u doticaju s objektom, površina na koju djeluje udarni tlak se povećava [6]. Dakle, pouzdano modeliranje kompresibilnosti zraka je vrlo važno kako bi metoda mogla generalno odrediti pojavu udarnih valnih opterećenja. Tema ovog rada je numeričko modeliranje udarnih valnih opterećenja pomoću metode kontrolnih volumena s naglaskom na praktičnu primjenu u industriji. Glavni cilj rada je doći do sveobuhvatnog, pouzdanog, robusnog i računalno učinkovitog numeričkog okruženja za predviđanje udarnih valnih opterećenja na pomorske objekte, s naglaskom na opterecenja uslijed vode na palubi. Razne metode su razvijene, testirane i primijenjene u ovom radu. Kako bi se poboljšala računalna učinkovitost, unaprijeđena je sprega gibanja krutog tijela i jednadžbe tlaka što omogućuje smanjenje broja nelinearnih iteracija vodeći do manjeg ukupnog proracunskog vremena. Provedena je detaljna verifikacija i validacija numeričkog okruženja za proračune opterećenja uslijed vode na palubi, kako bi se odredila točnost i preciznost pristupa. Testiranje, validacija i sprega nelinearne metode viših redova (eng. "Higher Order Spectral method", HOS) za efikasne proračune propagacije morskih valova je provedena. HOS pruža rubne uvjete RDF metodi za modeliranje kompleksnih valnih polja, kako bi se smanjilo trajanje i domena RDF proračuna. Najveći doprinos ovog rada je razvoj dvofaznog modela strujanja sa stlačivim modelom zraka, čija je točnost, robusnost i računalna učinkovitost pokazana u detaljnoj verifikaciji i validaciji provedenoj u ovom radu. Metoda je u mogućnosti modelirati zračne mjehure tijekom valnog udara, što je demonstrirano na primjeru udara slamajućeg vala. Kao konačni ishod rada, razvijene numeričke metode su sintetizirane kako bi se proveo proračun opterečenja palubne konstrukcije broda za prijevoz kontejnera. Proračun koristi rezultate linearne spektralne metode koja je korištena kako bi se definiralo projektno stanje mora relevantno za ekstremno opterecenje uslijed vode na palubi. I Cilj i hipoteza Cilj ovog rada je uspostava sveobuhvatnog, pouzdanog, robusnog i računalno učinkovitog numeričkog okruženja za proračune udarnih valnih opterećenje na pomorske objekte s naglaskom na opterećenja uslijed vode na palubi. U ovom višeskalnom pristupu je potrebno lokalna udarna valna opterećenja povezati s dugorocnim odzivom pomorskog objekta kako bi se u obzir uzela cjeloživotna eksploatacija. Na ovaj način je statistički opis odziva objekta povezan s determinističkim opterećenjem koje se može koristiti prilikom projektiranja. Hipoteza rada je da razvoj dvofaznog modela strujanja baziranog na metodi kontrolnih volumena pri cemu se u obzir uzima stlačivost zraka bez značajnog povećanja potrebnih računalnih resursa omogućuje generalne proračune udarnih valnih opterećenja. Uz napredan algoritam za spregu gibanja krutog tijela i linearnu spektralnu metodu za proračun odziva pomorskog objekta takva metoda bi omogućila proračune realističnih i relevantnih strukturnih opterećenja uz razumne računalne resurse. II Znanstveni doprinos Ovaj rad doprinosi znanstvenom polju brodogradnje pružajući računalno učinkovito, sveobuhvatno i robusno numeričko okruženje za proračun udarnih valnih opterećenja. Metode koje su razvijene, validirane i primijenjene u ovom radu su kombinirane kako bi se dobio generalan hidrodinamički model koji može modelirati udare morskih valova u punoj veličini. Relativno niske potrebe za računalnim resursima omogućuju da se proračuni provedu unutar jednog dana na osobnom računalu, omogučujući da se metoda koristi u procesu projektiranja. Dvofazni model strujanja koji u obzir uzima stlačivost zraka proširuje valjanost pristupa na širok spektar tipova valnih udara u usporedbi s konvencionalnim nestlačivim modelom strujanja. Fenomen zračnog jastuka može imati velik utjecaj na prostornu i vremensku distribuciju tlačnih opterećenja, pri čemu često dolazi do povećanja prijenosa energije s vala na konstrukciju. Razvijeni model strujanja koristi jedinstveni pristup modeliranju slobodne površine u smislu diskontinuiteta karakteristika fluida na slobodnoj površini koji se zasniva na metodi kontrolnih volumena i Ghost Fluid Method. Nadalje, razvijeni algoritmi za spregu gibanja krutog tijela i jednadžbe tlaka unaprjeđuju računalnu učinkovitost metode pri simulacijama gibajućih objekata na valovima. Dodatan doprinos je ostvaren primjenom nove metode za praćenje slobodne površine koja se zove "isoAdvector", koja je detaljno testirana i validirana za primjenu na opterećenja uslijed vode na palubi. Osim razvoja novih numeričkih modela, rad doprinosi usporedbom dva različita pristupa definicije tzv. projektnog vala baziranog na dugoročnom odzivu objekta. Metode su uspoređene na temelju opterećenja, računalne učinkovitosti i praktičnosti, što pruža objektivnu procjenu dva pristupa