An investigation on using the volume of fluid method to study the bubble sweep-down phenomenon in marine context

Abstract

The bubble sweep-down phenomenon is relevant to oceanographic research vessels because bubbles travelling under a ship's hull can degrade the performance of sonar mapping systems. The problem, however, remains experimentally unexplored due to cost issues at full-scale and scalability issues at model-scale. As a result, there is growing interest in the use of computational fluid dynamics (CFD) as a tool to bypass these issues. Although various CFD methods can be used, in this thesis only the Volume of Fluid (VOF) method was investigated. Specifically, the suitability of the VOF method was evaluated in terms of how well it captured the events leading up to the bubble sweep-down phenomenon.

All investigations were carried out using OpenFOAM-7. Various techniques including algebraic and geometric phase-advection methods, adaptive mesh refinement (AMR), different time stepping methods and algorithmic manipulations were explored both theoretically and in application. It was recognised that ship-bow generated plunging type breaking waves are the primary mechanism driving the bubble sweep-down phenomenon. Therefore, two reference cases involving such waves and with direct relevance to ship applications were used to carry out numerical validations. The bulk of these were done in two-dimensions, which allowed relatively efficient testing of the different numerical techniques.~The findings were then leveraged in subsequent three-dimensional studies.

The two-dimensional results showed that the VOF method was capable of producing a plunging wave with air entrainment. It was found that the algebraic phase-advection technique performed better than its geometric counterpart and that both adaptive time stepping and mesh refinement could be used to reduce the computational effort without compromising accuracy. These findings, however, did not translate well to three dimensions, where it was found that the VOF method failed to accurately capture the breaking wave and, therefore, its associated events as well. Hence, further work is required to establish the propriety of the VOF method as a tool to replicate the bubble sweep-down phenomenon.

Laivan keulan tuottaman rikkoutuvan aallon seurauksena veteen muodostuu ilmakuplia, jotka häiritsevät rungon alle kulkeutuessaan tutkimuslaivoissa käytettävien mittauslaitteiden toimintaa. Laivan operatiivisen tehokkuuden kannalta ilmakuplien aiheuttama ongelma on hyvin keskeinen, mutta vähän tutkittu. Tämä johtuu tutkimisen monimutkaisuudesta ja kalleudesta täysimittakaavassa sekä skaalautuvuusongelmista mallimittakaavassa. Numeerinen virtauslaskenta (CFD) voi tarjota mahdollisesti nopean ja kustannustehokkaan ratkaisun edellä mainittuihin haasteisiin. Ongelman ratkaisemiseksi on tarjolla useita erilaisia mallintamista-poja joiden validoimiseksi vaaditaan korkealaatuista kokeellista lähdedataa.

Tässä työssä tarkasteltiin Volume of Fluid (VOF) menetelmän soveltuvuutta ongelmaan. Työ keskittyi pääsääntöisesti rikkoutuvan aallon ja veteen ajautuvan ilman numeeriseen mallintamiseen. Laskenta suoritettiin OpenFOAM-ohjelmistolla ja testitapauksina käytettiin kahta yksinkertaistettua geometriaa. Yksi näistä oli kaksiulotteinen ja toinen kolmiulotteinen. Työssä tarkasteltiin mm. algebrallisen ja geometrisen advektiomenetelmän, adaptiivisen hila-algoritmin sekä erilaisten aikaintegrointimenetelmien soveltuvuutta ongelmaan. Suurin osa simuloinneista suoritettiin kaksiulotteiselle testitapaukselle, joka mahdollisti numeeristen menetelmien suhteellisen nopean validoinnin. Saatuja tuloksia vertailtiin sekä keskenään että kokeellisiin arvoihin ja havaintoja hyödynnettiin kolmiulotteisissa simuloinneissa.

Kaksiulotteisten tulosten perusteella VOF-menetelmällä pystyttiin tuottamaan hyvinkin tarkka rikkoutuvan aallon mallinnus. Algebrallinen advektiomenetelmä suoriutui paremmin kuin geometrinen ja adaptiivisella hila- ja aikaintegrointimenetelmi-llä pystyttiin vähentämään simulaatioaikaa tulosten tarkkuutta vaarantamatta. Vastaavia tuloksia ei kuitenkaan nähty kolmiulotteisissa validoinneissa. Näissä tapauksissa ilmaa ajautui veteen liian vähän, jonka surauksena rikkoutuvan aallon ei mallinnus ei toiminut oikein. Hilan tihentäminen adaptiivisella menetelmällä ei myöskään parantanut tuloksia. Lisävalidointeja tarvitaan VOF mallinnustavan soveltuvuuden määrittämiseen ja työn lopussa annetaan ehdotuksia jatkotyötä varten.