CFD analysis of the roll movement of a container ship

Published in Revista de Ingeniería Naval, Vol. 814, pp. 104-108, 2004

Introduction

La predicción precisa de los movimientos de un buque y en concreto la caracterización del movimiento de balance en un buque es un aspecto de gran relevancia en ingeniería naval, dado que permite determinar las características del amortiguamiento de las formas y apéndices de un diseño, que son el punto de partida para estimar tanto su estabilidad dinámica, como su comportamiento en la mar y confortabilidad. En los últimos años, desde el campo de los métodos numéricos han aparecido diferentes técnicas para la simulación del problema de dinámica del buque, pero las más avanzadas al día de hoy, desprecian o simplifican de manera grosera los efectos de la viscosidad del agua en la dinámica del buque, y consideran los efectos del amortiguamiento del movimiento de manera artificial.

El hecho mencionado ha motivado el inicio de un programa de cooperación en materia de I+D entre la empresa Compass Ingeniería y Sistemas (CompassIS) el Centro Internacional de Métodos Numéricos (CIMNE) y diversos departamentos de la Sociedad de Clasificación Det Norske Veritas (DNV). Este programa, soportado por las propias organizaciones, se ha desarrollado durante los últimos años y tiene como objetivo el desarrollo de métodos de simulación más realistas para los problemas referidos, así como para otros de gran interés en la ingeniería naval y oceánica. El presente trabajo sintetiza los resultados obtenidos hasta el momento, y que se centran en el ensayo numérico del problema de extinción del movimiento de balance.

Para el presente trabajo se ha desarrollado un novedoso enfoque para la resolución de este problema. La metodología utilizada para ello se basa en la modificación de las ecuaciones diferenciales de la dinámica de fluidos reales (ecuaciones de Reynolds – RANSE), incluyendo el movimiento de la superficie libre, mediante la aplicación del método de cálculo finitesimal. En el presente caso las ecuaciones modificadas son resueltas usando un esquema predictor-corrector implícito y el método de los elementos finitos (FEM). Este esquema de resolución se considera óptimo para este tipo de problemas, tanto en exactitud como en tiempo de cálculo. A modo de ejemplo hay que señalar que para problemas típicos (más de 1.000.000 de elementos finitos) son necesarias menos de 4 horas de CPU para resolver varios ciclos de movimiento del barco (Pentium IV). Esto permite el análisis de una matriz de ensayos en pocos días o incluso en horas, disponiendo de una red de ordenadores o potencia de cálculo suficiente.

Los efectos de la superficie libre son simulados mediante un método de trazado de la interfaz tipo “level set”. Esta metodología permite la resolución del comportamiento de los dos fluidos involucrados (aire y agua), aunque para el análisis aquí presentado se ha despreciado el efecto del aire.

El movimiento del buque debido a las fuerzas de interacción se calcula resolviendo un problema típico de dinámica de sólidos. La actualización de la posición del buque, es difundida a toda la malla y se tiene en cuenta en las ecuaciones de la dinámica del fluido mediante un esquema de integración lagrangiano-euleriano (ALE). Esta metodología permite resolver el complejo problema de interacción fluido-estructura de una manera ágil, rápida y sencilla, dado que basta una malla para analizar las diferentes configuraciones que toma el dominio, debido al movimiento del barco.

Los desarrollos mencionados han sido implementados en el código CFD y de multi-física Tdyn, comercializado por CompassIS (http://www.compassis.com/compass/en/productos).

El contenido del presente artículo se estructura como sigue. En primer lugar se presenta brevemente la aplicación de la metodología y el entorno de usuario desarrollado para el programa Tdyn, para a continuación presentar una aplicación real del método al análisis de un buque portacontenedores. Finalmente se incluyen un sucinto apartado de conclusiones.

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