Validation and comparison of turbulence models in ship wind load prediction

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-05-15
Department
Major/Subject
Marine Technology
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
98 + 5
Series
Abstract
Safe and efficient operation of ships requires accurate knowledge about the loads exerted by the stochastic environment. Wind loads affect the propulsion power requirement, manoeuvring, stability and auxiliary machinery. Current methods of predicting wind loads on ships through wind tunnel testing are slow and expensive, while computational and empirical methods are highly inconsistent. A particular difficulty is associated with a highly turbulent inflow from all directions, a complex model geometry and a prevalent flow separation. In this thesis, the predictive capacity of Computational Fluid Dynamics (CFD) is assessed from the perspective of the turbulence model. A model-scale validation procedure is carried out in an idealized numerical wind tunnel. Thorough sensitivity studies are performed in attempts to isolate the influence of the turbulence model and optimize the computational resource allocation. A total of six steady-state Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) models are compared against two unsteady Detached-Eddy Simulation (DES) models. Following the validation, selected turbulence models are applied to full-scale computations. Current investigations revealed that k-omega SST RANS turbulence model with modified coefficients can provide improved precision over its RANS peers. In addition, k-omega SST Improved Delayed DES (IDDES) model provided promising results with a reasonable computational burden at wind angles where RANS models struggled. Both RANS and DES exhibited major differences in the surge force coefficients once applied to full-scale. Insufficient turbulent kinetic energy and the following delay in resolved fluctuations are identified as an explanation for the highly erroneous IDDES predictions at 90 degrees wind angle.

Laivojen turvallinen operointi vaatii luotettavaa tietoa rakenteisiin kohdistuvista meriympäristön kuormista. Tuulikuormat vaikuttavat pää- ja apukoneiden sekä keulapotkurin mitoitukseen, laivan vakavuuteen sekä ohjailtavuuteen. Tuulikuormien määritys tuulitunnelimallikokeiden avulla on kallista ja hidasta, kun taas empiiriset sekä laskennalliset menetelmät ovat epätarkkoja. Laskennallista tuulikuormien määrittämistä vaikeuttaa turbulenttinen ilmankehän rajakerros, jokasuuntainen kohtauskulma sekä monimutkainen laivan muoto joka aiheuttaa virtauksen irtoamista erilaisilla mekanismeilla. Tässä diplomityössä tutkitaan turbulenssimallin osuutta laivan tuulikuormien laskennallisessa määrittämisessä. Laskennallinen malli validoidaan yksinkertaistetussa virtuaalisessa tuulitunnelissa. Laskennallisen mallin herkkyys mm. hilatiheyden, aika-askeleen, sisääntulon turbulenssin sekä laskenta-alueen koon suhteen määritetään kattavilla herkkyystarkasteluilla. Yhteensä kuutta Reynolds-keskiarvoistettua Navier-Stokes-yhtälöihin perustuvaa pyörreviskositeettimallia vertaillaan pyörteitä resolvoivia aikatarkkoja DES-malleja vastaan. Mallikoevalidaation jälkeen valittuja turbulenssimalleja sovelletaan täysmittakaavan laivan tuulikuormien määrittämiseen. Diplomityön tulosten perusteella k-$\omega$ SST -pyörreviskositeettimalli muokatuilla mallikertoimilla parantaa tuulikuormaennusteiden tarkkuutta. Aikatarkka k-$\omega$ SST IDDES -malli suoriutui kiitettävästi niillä tuulikulmilla, joilla keskiarvoistetut mallit aliennustivat pitkittäisvoimia sekä suuntamomenttia. Täysmittakaavaan siirryttäessä erityisesti pitkittäisessä tuulikuormakertoimessa havaittiin suuria eroja kaikilla turbulenssimalleilla. Korkeampi mallinnetun turbulenssin määrä kytkeytyi parempaan vastaavuuteen mallikoetulosten kanssa. Tämä työ tunnistaa aliennustetun turbulenttisen liike-energian todennäköiseksi syyksi yksittäisille huonosti ennustetuille tuulikuormille aikatarkkoja malleja käytettäessä.
Description
Supervisor
Ruponen, Pekka
Thesis advisor
Mikkola, Tommi
Arjava, Jyri-Pekka
Keywords
wind loads, CFD, turbulence model, Hybrid RANS-LES, DDES
Other note
Citation