Leonardo da Vinci i XFlow
Techniki obliczeniowe takie jak CFD dają nam obecnie gigantyczne możliwości cyfrowego testowania produktów, zanim je utworzymy. XFlow umożliwia bardzo wygodne i wydajne symulowanie efektów przepływowych uwzględniając efekty wielofazowe oraz ruch komponentów. Taka funkcjonalność pozwala nam liczyć nowoczesne, innowacyjne konstrukcje, jak również z łatwością wskrzeszać projekty, które wyprzedziły swój czas, tak jak łódź z napędem mechanicznym stworzona przez słynnego Leonardo da Vinci.
Na przykładzie tej konstrukcji zaprezentuję utworzenie symulacji z uwzględnieniem pływalności, zadanego ruchu łopat napędowych i ruchu ciała sztywnego kadłuba łodzi.
Ustawienia symulacji
Geometria łodzi została przygotowana tak, aby osobnymi bryłami były kadłub i dwa koła napędowe z łopatkami. Po imporcie do XFlow łopatki będą traktowane jako geometria podrzędna dla kadłuba, co zapewni wspólny ruch tych elementów względem reszty domeny obliczeniowej. Cała łódź jest zdefiniowana jako element typu „Rigid Body Motion”, co zapewnia dwukierunkową interakcję płyn-struktura. W takiej sytuacji jest możliwość ograniczenia ruchu oraz obrotu geometrii w wybranych kierunkach, jak to zostało ustawione w tym przypadku. Do tego są jeszcze wymagane właściwości bezwładnościowe, a grawitacja jest uwzględniona jako stała siła działająca w globalnym układzie współrzędnych. Natomiast koła napędowe są ustawione jako obiekty typu „Enforced” mając zadane zmienne w funkcji czasu położenie kątowe w swoim lokalnym układzie współrzędnych.
Od strony analizy ruchu płynu, wykorzystana została metoda Free Surface, która bierze pod uwagę tylko przepływ wody, pomijając efekty opływu powietrza nad powierzchnią swobodną, co jest wystarczające do takich analiz hydrodynamicznych. Boczne płaszczyzny ograniczające domenę obliczeniową zostały potraktowane jako ściany. Sieć obliczeniowa jest adaptacyjnie zagęszczana na ścianach brył oraz na powierzchni swobodnej, aby zapewnić dobry balans między szybkością i dokładnością obliczeń. Minimalny rozmiar odwzorowanej skali przepływu wynosił 6,25 cm, maksymalny zaś 1 m. XFlow daje nam możliwość symulacji falowania powierzchni wody oraz jej prędkości przepływu przez domenę. W tej symulacji jednak falowanie było nieaktywne, a płyn nie miał nadanego ruchu względem kadłuba. Wyniki symulacji 10 sekund czasu ruchu łodzi zostały zapisywane z częstotliwością 30 Hz.
Wyniki
Obliczenia trwały prawie 17 godzin na 20-rdzeniowym procesorze Intel Xeon W-2255. Zastosowany był krok czasowy o wielkości 0,0033 s. Sieć obliczeniowa składała się z ok. 480 tysięcy elementów. Korzystając z bogatego wachlarza wizualizacji wyników symulacji, wygenerowane zostały animacje z różnym przedstawieniem powierzchni swobodnej, a także z wykresami wartości przemieszczenia pionowego kadłuba, prędkości wzdłużnej łodzi, a także pionowej składowej siły działającej na kadłub.
Jak widać na zmieszczonych materiałach, ruch łodzi oraz płynu przy ich obustronnej interakcji został przeliczony z sukcesem. Obrót kół napędowych nadaje prędkość wzdłużną łodzi, a kadłub zanurzony w wodzie zapewnia odpowiednią wyporność. Początkowo, łódź opada na lustro wody, a następnie fluktuacje jej pozycji w pionie wygaszają się. Z danych wygenerowanych przez program można również odczytać np. wartość siły oporu stawianego przez kadłub łodzi w kierunku ruchu przedstawiony na wykresie poniżej.
Izopowierzchnia zawartości fazy ciekłej oraz wykresy parametrów w czasie symulacji ruchu łodzi.
Przedstawienie cząsteczkowe powierzchni płynu z zaznaczoną prędkością przepływu.
Wnioski i zakończenie
„Prostota jest szczytem wyrafinowania” – Leonardo da Vinci
XFlow jest aplikacją o dużych możliwościach i łatwej obsłudze, dającą użytkownikowi szeroki wachlarz analizowanych zjawisk. Zapraszam do przeczytania również innych artykułów na temat symulacji na naszym blogu oraz do kontaktu w razie zainteresowania zakupem licencji bądź skorzystaniem z usług obliczeniowych.
Leonardo da Vinci i CFD – symulacje ruchu i wyporności w XFlow
