【Ansys Fluent】水上風機浮力與穩度模擬分析

藉著Fluent模擬分析於不同角度掉落至海面的浮力效應,在海上艙內壓載不平衡情況等各種情境,觀察浮力影響以及於風機在海面上的穩度。透過Fluent的動態網格(dynamics mesh)或是重疊網格(overset mesh)進行網格設定,讓結果更逼近真實樣貌,再藉由Volume of Fluid (VOF) 模擬自由液面,6DOF來描述浮體的運動模式,因物體於海面上的運動方向有六個運動狀態,可透過撰寫UDF來實現6DOF於單一物體上更多維度且複雜的運動,增加浮體於水上漂浮的真實情境。

 

為觀察掉落至海面上的瞬間,以及在海中達到平衡狀態過程的浮力以及穩度變化,因此以暫態進行模擬。在此案例中可使用dynamics mesh和overset mesh進行模擬分析,以下為兩者網格設定的介紹:

1. Dynamics mesh

Dynamics mesh zones從物體運動過程中的狀態進行設定,物體屬rigid body的運動模式也可在此設定,在運動過程中會影響的區域設定deforming,以及固定邊界等設定皆可從dynamics mesh zones進行設定。

 


2. Overset mesh

Overset mesh分為背景網格及前景網格,背景網格可視為整個計算域的流域,再透過Append加入前景網格(前景網格為運動物件所在的區域),將兩個網格重疊後設定重疊面。

 


上述為兩種網格的設定方式,接下來要介紹的是如何模擬自由液面,在Fluent中的Multiphase à Volume of Fluid (VOF) 設定兩相,並在initialization後使用patch將cell register圈選出來的區域設定volume fraction,即完成自由液面的設定。

 


以上皆設定完成後,我們可以藉著Fluent模擬分析兩個面向,一是浮力:意即浮體壓載是否超過極限吃水;二是穩度:浮體水下體積的扶正力矩是否足以將浮體擺正。此測試係將浮體以不同角度掉落至海面,綜合壓載艙內不平衡,及重力、浮力相抗衡下,物體的狀態是沉、是浮,或是載浮載沉,又或是因為艙內液體自由移動讓整體重心改變,導致扶正力矩改變,影響浮體穩度,以下為模擬風機維持一個傾角從空中掉落至海面上,觀察浮體性能狀況:浮體反應出之浮力與穩度性能。

 


 

以下針對四個case中不同的艙內負載以及改變分布,觀察在艙內不平衡狀態下浮力和穩度的影響。隨著負載不同物體,在固定的浮體外型體積下質量改變,進而影響物體沉浮的情況;另在負載分布不均的情況下,需考量定傾中心(水下浮力切線交集點)與重心間的距離(即為GM值),因艙內液體的移動改變重心位置,扶正力臂隨之改變,使力矩產生變化,當扶正力矩不足以抵抗外來風力、湧浪等,則易導致物體翻覆,為較差的穩度(一般來說GM<1),而若如本案例有壓載且有自由液面存在,則更會惡化縮短扶正力力矩;反之,夠大的力矩能夠使物體回正,可避免傾倒現象產生(GM>1)。

 


在Fluent中,我們可以透過可視化結果來看速度分布,也可針對物體的重力方向的速率來看浮力的影響,下圖分別為case 1於水中載浮載沉及case 4在海面上漂浮的重力方向速率圖,從兩張結果圖中可以看到初始僅受重力作用下,在接觸海面時有一個明顯的轉折點,重力向的速率開始減緩,因在海中浮力開始作用,因此速度開始往反方向增加,而因為重力與浮力兩力相互作用下,導致速率會出現上下振盪的現象,透過速度的大小及方向性能協助我們從速度來觀察重力與浮力對浮體的影響。

 


從上述四個結果動圖來看,因物體維持一傾角受重力影響掉落至水面,接觸到水面因為有浮力作用使物體傾角開始回正,而艙內因為傾角的改變,使液體開始自由移動,進而影響到重心的改變,以上皆可透過Fluent的dynamics mesh或是overset mesh以及6DOF來協助模擬各種情境下的風機浮台於海中浮沉的狀況,改變艙內負載或是分布分析每種設計下的極限值,以及從現象更加了解各個因素下的對整體風機的影響性,從而改善設計達到最佳化。