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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2014.tde-23062015-102357
Document
Author
Full name
Rafael de Andrade Watai
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2014
Supervisor
Committee
Simos, Alexandre Nicolaos (President)
Ferreira, Marcos Donato Auler da Silva
Fujarra, André Luís Condino
Iglesias, Antonio Souto
Pesce, Celso Pupo
Title in Portuguese
Um método de elementos de contorno do domínio do tempo para análise de comportamento no mar de sistemas oceânicos.
Keywords in Portuguese
Comportamento no mar
Método de elementos de contorno no dominio do tempo
Sistemas multicorpos
Abstract in Portuguese
Esta tese apresenta o desenvolvimento de um método de elementos de contorno (BEM) no domínio do tempo baseado em fontes de Rankine para analise linear de comportamento no mar de sistemas oceânicos. O método e formulado por dois problemas de valor inicial de contorno definidos para os potenciais de velocidade e aceleração, sendo este ultimo utilizado para calcular de maneira acurada a derivada temporal do potencial de velocidades. Testes de verificação são realizados para a solução dos problemas de difração, radiação e de corpo livre para flutuar. Uma vez verificada, a ferramenta e aplicada em dois problemas multicorpos considerados no estado-da-arte em termos de modelagem hidrodinâmica utilizando BEM. O primeiro trata do problema envolvendo duas embarcações atracadas a contrabordo. Este é um caso no qual os códigos baseados na teoria de escoamento potencial são conhecidos por apresentarem dificuldades na determinação das soluções, tendendo a superestimar as elevações de onda no vão entre as embarcações e a apresentar problemas de convergência numérica associados a efeitos ressonantes de onda. O problema e tratado por meio do método de damping lid e a convergência das series temporais e investigada avaliando diferentes níveis de amortecimento. Os resultados são comparados com dados experimentais. O segundo problema se refere a analise de sistemas multicorpos com grandes deslocamentos relativos. Neste problema, ferramentas no domínio da frequência nao podem ser utilizadas, por considerarem apenas malhas fixas. Deste modo, o presente método e estendido para considerar um gerador de malhas de paineis e um algoritmo de interpolação de ordem alta no laco de tempo do código, possibilitando a mudança de posições relativas entre os corpos durante a simulação. Os resultados são comparados com dados de experimentos executados especificamente para fins de verificação do código, apresentando uma boa concordância. De acordo com o conhecimento do autor, esta e a primeira vez que certas questões relativas a modelagem numérica destes dois problemas multicorpos são relatadas na literatura especializada em hidrodinâmica computacional.
Title in English
A time-domain boundary elements method for the seakeeping analysis of offshore systems.
Keywords in English
Multi-body systems
Seakeeping
Time domain boundary elements method
Abstract in English
The development of a time domain boundary elements method (BEM) based on Rankine's sources for linear seakeeping analysis of offshore systems is here addressed. The method is formulated by means of two Initial Boundary Value Problems defined for the velocity and acceleration potentials, the latter being used to ensure an accurate calculation of the time derivatives of the velocity potential. Verification tests for solving the difraction, radiation and free floating problems are presented. Once verified, the code is applied for two complex multi-body problems considered to be in the state-of-the-art for hydrodynamic modelling using BEM. The first is the seakeeping problem of two ships arranged in side-by-side, a problem in which all potential flow codes are known to have a poor performance, tending to provide unrealistic high wave elevations in the gap between the vessels and to present numerical convergence problems associated to resonant effects. The problem is here addressed by means of a damping lid method and the convergence of the time series with different damping levels is investigated. Results are compared to data measured in an experimental campaign. The second problem refers to the analysis of multi-body systems composed of bodies undergoing large relative displacements. This is a case that cannot be properly analyzed by frequency domain codes, since they only consider fixed meshes. For this application, the present numerical method is extended to consider a panel mesh generator in the time loop of the code, enabling the change of body relative positions during the computations. Furthermore, a higher order interpolation algorithm designed to recover the solutions of a previous time-step was also implemented, enabling the calculations to progress with reasonable accuracy in time. The numerical results are compared to data of experimental tests designed and executed for verification of the code, and presented a very good agreement. To the author's knowledge, this is the first time that certain issues concerning the numerical modelling of these two complex multi-body problems are reported in the literature specialized in hydrodynamic computations.
 
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Tese_Rafael_Watai.pdf (20.98 Mbytes)
Publishing Date
2015-08-13
 
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