Quality of an automatically generated structured grid used for RANS simulation

Abstract

There is a growing need for methods that can be used to estimate propulsion demands for ships. Because of decreased costs the use of computational fluid dynamics has been increasing. Most of the ship flow calculations nowadays are done with RANS methods. The RANS methods usually require a calculation grid that divides the calculation domain into smaller cells. The quality of the grid affects the accuracy and the stability of the simulation. A grid may be structured having cells in regular order, or unstructured having no fixed topology and possibly containing different types of cells.

There are metrics that are used to estimate the quality of the grid and methods that are used to improve the quality of existing grids. The improvement methods that don't change the topology of a grid but only move the nodes are called smoothing methods. Creation of a good quality grid may require considerable effort and therefore there is a demand for automatic grid generation methods.

NAPA ship design application has a RANS module that uses automatically generated hexahedral space grid. The space grid is generated according to the surface grid defined by the user. This thesis studies the effect of surface grid smoothing on the quality of a grid. The smoothing method used is a modification of an existing angle-based smoothing method. The effect on grid quality was evaluated by using several quality metrics for both surface and space grids. In addition pressures, streamlines and wake velocities were compared.

Simulation results showed clear improvement of several surface grid quality metrics and also some improvement on space grids. Pressures and streamlines only revealed clear differences when a poor quality of the grid without smoothing changed the hull geometry. Most of the studied wake fields were closer to experimental results when smoothing was used.

Laivan propulsiovaatimusten arviointiin käytettäville menetelmille on kasvava kysyntä. Halventuneen laskentakapasiteetin ansiosta virtauslaskennan käyttö on yleistynyt. Useimmat laivojen virtauslaskelmat tehdään nykyään RANS -menetelmillä, jotka yleensä vaativat laskenta-alueen jakamisen pienempiin osiin laskentaverkolla. Verkon laatu vaikuttaa simuloinnin tarkkuuteen ja vakauteen. Verkko voi olla rakenteellinen, jolloin laskentatilavuudet ovat säännöllisessä järjestyksessä tai rakenteeton, jolloin topologia voi vaihdella ja verkko voi sisältää erityyppisiä tilavuuksia.

On kehitetty indikaattoreita, joilla voidaan arvioida verkon laatua. On myös menetelmiä, joilla voidaan parantaa olemassa olevien verkkojen laatua. Parannusmenetelmät, jotka eivät muuta topologiaa, vaan ainoastaan siirtävät kulmapisteitä ovat tasoitusmenetelmiä. Hyvälaatuisen verkon luominen voi vaatia paljon työtä, minkä vuoksi automaattisille verkongenerointimenetelmille on kysyntää.

NAPA laivansuunnitteluohjelmisto sisältää RANS-moduulin, joka käyttää automaattisesti generoitua verkkoa. Avaruusverkko generoidaan käyttäjän määrittämän pintaverkon perusteella. Diplomityössä tarkastellaan, miten pintaverkon tasoitus vaikuttaa laskentaverkon laatuun. Käytetty tasoitusmenetelmä on muunnos olemassa olevasta kulmiin perustuvasta menetelmästä. Verkon laadun vaikutusta tarkasteltiin laatuindikaattoreilla sekä avaruus- että pintaverkolla. Lisäksi vertailtiin paineita, virtaviivoja ja vanavettä.

Tulokset osoittivat selvän parannuksen useissa pintaverkon laatuindikaattoreissa. Avaruusverkossakin näkyi jonkin verran parantumista. Paineet ja virtaviivat poikkesivat lähinnä silloin kun tasoittamattoman verkon huono laatu aiheutti runkogeometrian muutoksen. Useimmat tutkitut vanavesikentät olivat lähempänä kokeellisia tuloksia, kun tasoitusta oli käytetty.