TU Darmstadt / ULB / TUprints

Numerical simulation of free surface flows interacting with flexible structures

Mariño Salguero, Jessica Marcela (2021):
Numerical simulation of free surface flows interacting with flexible structures. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019193,
[Ph.D. Thesis]

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Numerical simulation of free surface flows interacting with flexible structures.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Numerical simulation of free surface flows interacting with flexible structures
Language: English
Abstract:

Efficient numerical methods to simulate free-surface flows interacting with flexible structures are of great interest for enhancing, for instance, the design of marine structures. However, numerical instabilities can occur due to the unsteady free surface flow domain that induces abruptly changing loading conditions on the structure. Common simulation methods also require very small time-steps to accurately capture the free surface flow dynamics, resulting in excessively long computational times. In order to overcome these issues, this work focuses on developing a new efficient and stable free surface flow formulation and its integration in a partitioned fluid-structure interaction (FSI) approach to allow for the simulation of this multiphysics phenomenon. The free surface flow dynamics are described with the one-fluid formulation of the Navier-Stokes equations and the Volume of Fluid (VoF) method formulated in the arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) framework. The implementations are made within the in-house finite volume solver FASTEST. First, a more efficient pressure-velocity coupling algorithm is developed. It is an enhanced SIMPLE algorithm with extra correction steps that achieves a better convergence rate of the velocity and pressure fields. Second, the fluid flow interface is captured with an interface capturing scheme implemented through the new Modified Normalized Weighting Factor (MNWF) method. The MNWF method improves the convergence rate and stability of the schemes for medium to high Courant numbers. Thus, larger time-steps can be used, reducing the computational time. Finally, the free-surface flow formulation is integrated into a partitioned FSI approach. The preCICE coupling tool implicitly couples the free surface code of FASTEST with the structural finite element program CalculiX. The developed solution algorithm and its parts are validated and used to solve benchmark test cases. The obtained results are in perfect accordance with the literature references, and the approach shows a positive effect on accuracy, computational time, and stability.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Effiziente numerische Methoden zur Simulation von freien Oberflächenströmungen, die mit flexiblen Strukturen interagieren, sind beispielweise von großem Interesse für die Verbesserung der Konstruktion von maritimen Strukturen. Allerdings können numerische Instabilitäten aufgrund der instationären Strömungsdomäne an der freien Oberfläche auftreten, die abrupt wechselnde Belastungsbedingungen an der Struktur hervorrufen. Außerdem erfordern gängige Simulationsmethoden sehr kleine Zeitschritte, um die Dynamik der freien Oberflächenströmung genau zu erfassen, was zu übermäßig langen Berechnungszeiten führt. Um diese Probleme zu überwinden, konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung einer neuen effizienten und stabilen Berechnungsmethode der freien Oberflächenströmung und deren Integration in einen partitionierten Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) Ansatz, um die Simulation dieses Multiphysik-Phänomens zu ermöglichen. Die Strömungsdynamik der freien Oberfläche wird mit der Ein-Fluid-Formulierung der Navier-Stokes-Gleichungen und der Volume of Fluid (VoF)-Methode beschrieben, die im Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)-Rahmen formuliert ist. Die Implementierungen erfolgen innerhalb des hauseigenen Finite-Volumen-Solvers FASTEST. Zunächst wird ein effizienterer Algorithmus zur Druck-Geschwindigkeits-Kopplung entwickelt. Es handelt sich um einen erweiterten SIMPLE-Algorithmus mit zusätzlichen Korrekturschritten, der eine bessere Konvergenzrate der Geschwindigkeits- und Druckfelder erreicht. Danach wird die Strömungsgrenzfläche mit einem Grenzflächenerfassungsschema erfasst, das durch die neue „Modified Normalized Weighting Factor“ (MNWF) Methode, implementiert wird. Die MNWF Methode verbessert die Konvergenzrate und Stabilität der Schemata für mittlere bis hohe Courant-Zahlen. Dadurch können größere Zeitschritte verwendet werden, was die Rechenzeit reduziert. Schließlich wird die Formulierung der freien Oberflächenströmung in einen partitionierten FSI-Ansatz integriert. Das Kopplungstool preCICE koppelt implizit den freien Oberflächen Code von FASTEST mit dem Struktur-Finite-Elemente-Programm CalculiX. Der entwickelte Lösungsalgorithmus und seine Teile werden validiert und zur Lösung von Benchmark-Testfällen verwendet. Die erhaltenen Ergebnisse stimmen perfekt mit den Referenzwerten aus der Literatur überein und der Ansatz zeigt einen positiven Effekt auf Genauigkeit, Rechenzeit und Stabilität.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiii, 140 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering (FNB)
Exzellenzinitiative > Graduate Schools > Graduate School of Computational Engineering (CE)
Date Deposited: 11 Aug 2021 08:50
Last Modified: 11 Aug 2021 08:50
DOI: 10.26083/tuprints-00019193
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-191931
Referees: Schäfer, Prof. Dr. Michael ; Bothe, Prof. Dr. Dieter
Refereed: 14 July 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19193
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