Impostazioni STARCCM+

Dopo aver costruito il modello in 3D CAD per mezzo del software Catia, seguendo la procedura illustrata al par. 2.2.6, si provvede alla definizione del problema fluidodinamico nel software STARCCM+.

7.1 Scelta solutore idrodinamico e stopping criteria

Per prima cosa, è necessario impostare il tipo di problema fluidodinamico, ovvero il modello fisico di base ed il tipo di solutore.

Aprendo la finestra “Physics” è possibile spuntare da un menu a tendina le varie possibilità, in questo caso è necessario impostare un problema con interazione multifase e definizione dei volumi di fluido, infatti nel caso di corpo in movimento sul pelo libero dell’acqua, bisogna considerare l’interazione fra due fluidi, aria e acqua, ognuno definito dimensionalmente nel dominio di calcolo.

Le opzioni scelte per questo caso sono: 1. Problema stazionario (“Steady”) 2. Problema 3D

3. Solutore RANS con metodo K-Epsilon

4. Implementazione della forza di gravità, necessaria per simulare le onde

Per quanto concerne gli “stopping criteria”, ovvero i parametri che regolano la lunghezza della simulazione, si è deciso di impostare un numero massimo di step di simulazione pari a 5000.

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7.2 Definizione dominio di calcolo boundaries

La creazione del dominio di calcolo consiste nella definizione della geometria del volume di fluido soggetto alla simulazione: in sostanza, è necessario valutare (ragionevolmente) il volume di fluido perturbato dal passaggio del corpo carenato, quindi una volta creato il blocco geometrico che rappresenta il fluido bisogna sottrarre allo stesso il volume della carena.

Figura 27 – Rappresentazione prospettica del dominio di calcolo. E’ evidenziata la parte sottratta costituita dal corpo carenato

In pratica, quello che simula il software non è il movimento di un corpo all’interno di un fluido fermo, bensì viceversa, il movimento del volume di fluido attorno ad un corpo fermo visto come un muro (“wall”). Le dimensioni del sostegno del periscopio sono pari a 0.41m di lunghezza (corda), 0.2m di spessore (circa, a seconda dei profili) e 4m di altezza, di conseguenza, è stato scelto un volume di fluido di dimensioni pari a: 34m di altezza, 20 di lunghezza e 16 di larghezza.

Il corpo carenato è stato poi posizionato in altezza in maniera tale che solo 1m emerga dal pelo libero dell’acqua; nella direzione del moto invece, il volume di fluido si estende per 7.5m davanti al b.a. e per 12m dietro, dal momento che gli effetti che saranno analizzati riguardano fondamentalmente la zona a valle del profilo. In larghezza, la carenatura è stata posta simmetricamente, 8m da un lato e 8m dall’altro.

Una volta definita la geometria è necessario assegnare le regioni (“regions”), ovvero definire le condizioni al contorno indicando la natura delle superfici limite: come già accennato, al corpo solido è stata assegnata la condizione “wall” di impenetrabilità, alle superfici poste perpendicolarmente alla direzione del movimento

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sono state assegnate condizioni di “pressure_outlet”, mentre alle altre superfici, la condizione “velocity_inlet”.

Infine, sono stati generati altri due blocchi geometrici, funzionali per infittire localmente la mesh, definiti nel par. 7.3.

7.3 Definizione mesh

Il processo di meshing serve a discretizzare in celle l’intero dominio, rendendo così possibile la simulazione. La definizione della mesh è fondamentale, una mesh poco fitta, ovvero con celle troppo grandi, porta a simulazioni non precise e con errori paragonabili alla grandezza delle celle stesse; altresì, una mesh troppo fitta aumenta considerevolmente i tempi di simulazione, senza fornire significativi benefici.

In questo caso si è ritenuto opportuno infittire la mesh solo in determinate zone, in particolare sono state create due regioni:

1) Una zona di infittimento è rappresentata dal pelo libero dell’acqua, ed è quindi costituita da un blocco di altezza pari a 1m, centrato sull’interfaccia dei fluidi, ed esteso quanto l’intero dominio. L’obiettivo della simulazione è quello di poter osservare gli effetti sul pelo libero dell’acqua, ovvero le onde, per questo è necessario approfondire la mesh in questa zona.

2) La seconda zona è invece rappresentata da un prisma a base trapezoidale, di altezza 1m, posto con il lato corto perpendicolare alla direzione del movimento e distante 2m il b.a. del corpo carenato; il lato lungo è distante 7.5m (a valle) dal b.a. ed il trapezio è simmetrico rispetto al piano di simmetria del periscopio: questo infittimento è creato prevedendo di contenere la zona di maggior perturbazione del flusso, caratterizzata dall’inviluppo di Kelvin (par 1.3), infatti i lati oblicui sono inclinati di circa 19° rispetto alla direzione del movimento.

Per quanto riguarda il setting della mesh, la definizione delle impostazioni base e l’infittimento locale sono stati cosi implementati:

1. Scelto un mesher del tipo “trimmed” per ottenere una mesh geometricamente ordinate, quindi è stata implemenata la funzione “prism layer”, per intercettare meglio il comportamento dello stato limite, sulla superficie del corpo carenato.

2. Dimensione base della mesh pari a 0.5m

3. Spessore del prism layer pari a 0.015m

4. L’infittimento dei prismi, trapezoidale e rettangolare, sono stati effettuati applicando una locale diminuzione delle dimensioni del volume di mesh, in particolare, sulle dimensioni x ed y (appartenenti al piano della superficie marina) è stato scelto un passo di 0.05m, mentre per la direzione z, il passo scelto è di 0.025m per il prisma rettangolare e 0.1m per l’altro.

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Figura 28 – Rappresentazione del blocco trapezoidale, evidenziando la parte sottratta dal corpo carenato-

Figura 29 – Il blocco rettangolare, in vista frontale per mostrare la posizione relativa al corpo carenato. Il blocco trapezoidale è contenuto in quello rettangolare.

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Figura 30 – La mesh dell’intero dominio

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7.4 Strumenti per il post-processing: plot e scene

Il software STARCCM+ è fornito di una miriade di tools per il post-processing.

In particolare, per questo caso, tramite la funzione “scene”, è stato possibile ottenere l’immagine simulata della distorsione del pelo libero dell’acqua, potendo così effettuare un rapido confronto visivo fra le varie configurazioni, oltre ad avere una immediata idea di quanto grandi risultino le onde generate in relazione alle dimensioni del problema.

Ma la funzione più importante, per la valutazione dei profili, è stata la tabulazione e quindi il grafico delle varie altezze del pelo libero dell’acqua nelle zone perturbate da onde: definendo una sezione, trasversale o longitudinale, il software traccia per punti la curva corrispondente il profilo dell’onda, determinando l’altezza in relazione alla condizione di flusso imperturbato.