Faculté des sciences de base SB, Section de mathématiques, Institut d'analyse et calcul scientifique IACS (Chaire de modélisation et calcul scientifique CMCS)

Computational fluid dynamics for naval engineering problems

Parolini, Nicola ; Quarteroni, Alfio (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3138.

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    Summary
    The subject of this thesis is the numerical simulation of viscous free-surface flows in naval engineering applications. State-of-the-art numerical methods based on the solution of the Navier-Stokes equations are used to predict the flow around different classes of boats. We investigate the role of the Computational Fluid Dynamics in the design of racing boats, such as America's Cup yachts and Olympic class rowing hull. The mathematical models describing the different aspects of the physical problem, as well as the numerical methods adopted for their solution, are introduced and critically discussed. The different phases of the overall numerical simulation procedure, from grid generation through the solution of the flow equations to the post-processing of the results, are described. We present the numerical simulations that have been performed to investigate the role of different design parameters in the conception of America's Cup yachts and we describe how the results obtained from the simulations are integrated into the overall design process. The free-surface flow around an Olympic rowing boat is also considered. We propose a simplified approach to take into account the effect of the boat dynamics in the prediction of the hydrodynamic forces acting on the boat. Based on the results of the simulations, we propose a new design concept and we investigate its potential benefits on the boat performances. One of the aspects that is found to be not completely satisfactory, within the standard numerical methods adopted, is the modelling of complex free-surface flows. The second part of this thesis is devoted to a more theoretical and methodological investigation of this aspect. In particular, we present and analyse a new numerical method based on the level set approach for the solution of two-fluid flows. The numerical scheme based on a finite element discretization is introduced and different critical aspects of its implementation are discussed. In particular, we present and analyse a new technique for the stabilization of the advection equation associated to the level set problem. Moreover, we propose a new reinitialization procedure for the level set function which plays a crucial role in the accuracy of the algorithm. The convergence properties of this procedure are analysed and comparisons with more standard approaches are presented. Finally, the proposed method has been used to solve a variety of test cases concerning time dependent two-fluid viscous flows. The results of the simulation are presented and discussed.
    Riassunto
    Riassunto Questa tesi si occupa della simulazione numerica di flussi viscosi a superficie libera per applicazioni in ingegneria navale. Metodi numerici avanzati per la soluzione delle equazioni di Navier–Stokes vengono utilizzati per predire il flusso attorno a diverse tipologie di scafi. Viene proposta un'analisi del ruolo della simulazione numerica nel processo di sviluppo di imbarcazioni da competizione, quali barche a vela di classe America e scafi da canottaggio di classe Olimpica. I modelli matematici e i metodi numerici adottati per la descrizione e la simulazione del problema fisico vengono introdotti e viene proposta un'analisi critica delle loro potenzialità e dei loro limiti. Si presentano i risultati ottenuti dalle simulazioni realizzate nell'ambito di uno studio riguardante l'analisi di diversi parametri di progetto nella messa a punto di una barca a vela di classe America. Si descrive inoltre le modalità di integrazione dei risultati delle simulazioni numeriche nel ciclo di progetto. In seguito, viene considerato il flusso a superficie libera attorno ad uno scafo da canottaggio di classe Olimpica, per il quale viene proposto un metodo semplificato per studiare l'impatto della dinamica dell'imbarcazione nella stima delle forze idrodinamiche agenti sull scafo. I risultati delle simulazioni hanno portato alla definizione di un'innovazione progettuale di cui vengono investigati i possibili benefici sulle prestazioni dello scafo. Dalle simulazioni realizzate è emerso che uno degli aspetti che possono ritenersi non completamente soddisfacenti, nell'approccio numerico adottato, è la modellizzazione di flussi a superficie libera. Nella seconda parte di questo lavoro, si propone un'indagine più teorica e metodologica di questo aspetto. Viene presentato un nuovo schema numerico basato sull'approccio a curve di livello (level set) per la soluzione di flussi bifasici basato su una discretizzazione agli elementi finiti. Alcuni aspetti critici legati alla sua implementazione vengono analizzati. In particolare, si propone un nuovo metodo per la stabilizzazione dell'equazione di trasporto associata alla soluzione del problema level set. Le proprietà di convergenza e di conservazione della massa del metodo proposto vengono analizzate e confrontate con quelle di metodi di stabilizzazione classici. Nell'approccio level set un ruolo importante è giocato dalla cosiddetta procedura di reinizializzazione. A tale proposito, viene proposta una nuova tecnica per la quale viene condotta un'analisi di convergenza. Infine, il metodo introdotto è stato utilizzato per la simulazione di diversi flussi bifasici e i risultati delle simulazioni vengono presentati e discussi.