Hydrodynamisk studie av en 2D geometri lik fisk under bevegelse

Abstract

Denne masteroppgaven viser resultater fra simuleringer av en NACA0012 foil i statiske og bevegeligetilfeller. En innledende studie har hatt som formål å simulere en statisk foil og å få til resultatertilsvarende det som finnes i litteraturen. Dette for å bekrefte at modellen i Openfoam er pålitelig.Første forsøk besto av å bruke et firkantet rutenett laget i ICEM med en foil som hadde angrepsvinkellik 0. Koordinatene av foilen ble deretter rotert ved hjelp av Openfoam til ønsket angrepsvinkel.Dette gjorde at enkelte celler ble strukket og resultatene var ikke tilfredsstillende. Neste strategi varå bruke en "overset grid" i Openfoam som er et rutenett som beveger seg på et bakgrunnsrutenett.Dette systemet besto av tre forskjellige rutenett. Et var brukt som formtilpasset til foilen, et annetvar brukt som bakgrunn og et tredje som overgang mellom de to førstnevnte. Overgangsrutenettetvar tenkt for å få en myk overgang mellom de to andre og i tillegg å unngå altfor mange celler totalt.Denne strategien var heller ikke tilfredsstillende og ga dårlige resultater. Det ble oppdaget en diskon-tinuitet ved hjelp av Paraview og threshold-funksjonen mellom foil-rutenettet og overgangsnettet.Til slutt ble den samme simuleringen gjort med bare foil-rutenettet og bakgrunnsrutenettet og resul-tatene ble tilfredsstillende. Deretter ble en konvergensstudie utført for å velge den beste løsningentil neste simulering med bevegelse. Neste studie simulerte en foil med både hiv- og stampbevegelse.Målet var å kunne observere reversert BvK virvelbevegelse som er typisk for fisk. Simuleringen blegjort for fasevinkelψ= 90◦ogψ= 10◦. Førstnevnte var forventet å produsere skyvekraft, mensden andre var forventet å produsere motstand eller mindre skyvekraft. Begge tilfellene viste segå produsere motstand og BvK virvelbevegelse. Til slutt ble en foil med stampbevegelse simulert iOpenfoam. Denne ble testet med samme rutenett som det som ble valgt under konvergensstudien.Simuleringene gav heller ikke tilfredsstillende resultater. Modellen brukt i Openfoam har vist segå være god til å simulere statiske tilfeller, men viste begrensninger når det gjaldt å simulere enbevegelig foil. Resultatene fra denne masteroppgaven viser at overset grid ikke fungerer med etlite formtilpasset rutenett rundt foilen og at bruk av ett eller flere overgangsrutenett burde brukes.Tidligere simuleringer har vist at bruk av overgangsrutenett ikke fungerer når beregningene er opp-delt med superdatamaskinen. Disse resultatene viser begrensningene til Openfoam og foreslår at merdetaljerte undersøkelser må gjøres ved bruk av overset og superdatamaskinen. Det er også foreslåttat neste undersøkelse burde prøve foil-rutenettet som er mye større med ustrukturert celler. Nærfoilen burde cellene være mye mindre enn i de forrige simueringene og expandereres frem til grensentil foil-rutenettet, noe som vil kunne tillate større celler i bakgrunnsrutenettet og dermed reduseresimuleringstiden.

This master thesis presents the results of simulations done with a NACA0012 foil for static casesand for a subcarangiform fish-like motion. The preliminary study was to analyze the results givenby Openfoam on a static NACA0012 foil in order to obtain similar results to the literature. Thisfirst stage was to validate the model used in Openfoam. The first strategy was using a deformablegrid. The grid is a rectangle domain made in ICEM. The points of the foil were then rotated at thedesired angle. This way of making the foil rotate stretched the cells. In consequence the results werenot good enough and then rejected. Next, a strategy of overset grid was used in Openfoam, first withthree grids. A bodyfitted grid for the foil made in ICEM, a refinement grid and a background grid.The purpose of the refinement grid was to make the transition of the cell size between the bodyfittedgrid and the background grid smooth and then to avoid too many cells in total. Once more thisstrategy didn’t give satisfying results. A discontinuity which was not visible in the first place wasdiscovered in Paraview using the threshold function. Finally, an overset grid was tested with onlya bodyfitted grid and a background grid. This strategy gave good results. A convergence analysiswas then conducted to choose a grid for the fish-like motion. The final study comprises severalsimulations with expected formation of reversed BvK vortex street typically produced by fishes.First a simulation combining heave and pitch was tested for phase shiftψ= 90◦andψ= 10◦. Thefirst one was expected to give thrust and the second less thrust or drag. Both produced drag. In orderto find out the reason why no thrust was produced a more simple motion was tested with a pitchingfoil. The simulation of a pitching foil was tested with the selected grid of the convergence study. Thesimulation didn’t produce thrust as it was expected. The model used in Openfoam has shown goodresults for static simulations but was not convincing for motion simulations. The results of this thesissuggest that the overset grid doesn’t work well for motions with a small bodyfitted grid around thefoil and the use of one or several refinement grids between the foil and the background grid shouldbe tested. Previous tests have shown that the last suggestion doesn’t work when the calculationsare decomposed in the supercomputer. These results show the limitations of Openfoam and suggestthat more in depth investigations about the use of overset grid and the use of supercomputer shouldbe done. It is also suggested that the next investigations should use a much wider bodyfitted gridwith unstructured cells. The cells around the foil should be much finer than the previous study andprogressively expanded until the boundary of the bodyfitted grid in order to keep the cell size in thebackground grid bigger and reduce the running time.