Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-658
Main Title: Trend Validation of CFD Prediction Results for Ship Design (Based on Series 60)
Translated Title: Trendvalidierung für Ergebnisse von CFD-Prognosen für den Schiffsentwurf, basierend auf Series 60
Author(s): Lee, Yeon-Seung
Advisor(s): Nowacki, Horst
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Arbeit thematisiert den existierenden Unterschied zwischen zwei Kategorien von Vorhersagen bezüglich des Wellenwiderstands von Schiffsformen: zwischen den auf der einen Seite aus experimentellen (EFD) Daten abgeleiteteten und den auf der anderen Seite auf den Resultaten aktueller CFD-Systeme basierenden Prognosen. Die Untersuchung konzentriert sich auf die Frage, ob die durch den Vergleich von Messdaten mit numerischen Prognosen festgestellten Fehler vorrangig systematische Abhängigkeiten von den Formparametern des Schiffsrumpfs aufweisen oder Zufallsfehler in signifikanter Größenordnung enthalten. So liegt die Intention der Arbeit darin, eingegrenzt auf die Thematik des Wellenwiderstands als Problem des Schiffsentwurfs, einen Beitrag zum Problemfeld der Zuverlässigkeit von CFD-Resultaten im Vergleich zu experimentell gewonnenen (EFD) Daten zu leisten. Die Herangehensweise an die Problematik stützt sich auf eine spezifische Auswahl von Rumpfformen, die einer systematischen Testserie, der Series 60, entnommen und mit numerischen Prognosen des numerischen Solvers SHIPFLOW verglichen wurde. Die Arbeit beschränkt sich auf einen bestimmten Bereich der Series 60 (CB von 0.6 bis 0.7, lcb von -1.5% bis 0.5% von LBP, L/B von 6.5 bis 7.5 und B/T von 2.5 bis 3.5), um die Trends in einem physikalisch zusammenhängenden Bereich untersuchen zu können. Die Resultate der Series 60 wurden den dokumentierten Experimentaldaten für Schiffe in Originalgröße mit einer Standardlänge von 400 Fuß entnommen. Anschliessend wurden diese Resultate für eine Modellgröße von L=20 Fuß reinterpoliert, indem die ATTC-Methode der Series 60 umgekehrt angewendet wurde, so dass die Experimentalwerte von CR und CW mittels der Methoden von Froude und Hughes ermittelt wurden. Diese Daten waren geglättet und frei von Zufallsfehlern, da in den Dokumenten der Series 60 bereits jegliches Rauschen durch Interpolation und Präsentation eliminiert worden war. Dies impliziert nicht, dass die experimentellen Daten fehlerfrei sind, aber alle verbleibenden Fehlertrends sind systematisch. Die durch CFD erhaltenen Ergebnisse wurden gründlich hinsichtlich ihrer Konsistenz verifiziert. Dies erfolgte mittels systematischer Sensitivitäts-Untersuchungen bezüglich der Anzahl der Panele, der Auflösung der freien Wasseroberfläche, des Abbruchbereichs und der iterativen Konvergenz, bis die Berechnungsparameter eine Größenordnung erreicht hatten, dass weitere Verfeinerungen keine relevanten Änderungen jenseits sehr kleiner Toleranzen bewirkten. Diese Daten werden als verifizierte CFD-Daten bezeichnet bzw. verwendet. Die numerischen und rechnerischen Fehler wurden systematisch für den gesamten Bereich der zugrunde gelegten Teilmenge von Series 60 untersucht, indem 58 unterschiedliche Rumpfformen evaluiert wurden, die den Bereich der freien Rumpfformparameter der Series 60 in der Praxis so dicht wie möglich abdecken. Dies ergibt für jede individuelle Rumpfform eine Prognose von CWCFD für unterschiedliche FN. So erhält man die Differenzen zwischen den experimentellen und den rechnerischen Resultaten (bezeichnet durch ER und EW). Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Abhängigkeit der zwei Fehlerfunktionen ER und EW von den vier Variablen der Rumpfformdefinition, wie in der ries 60, und zusätzlich noch von der Schiffsgeschwindigkeit (FN). Dieser Analysetyp wurde für die vorliegende Arbeit neu konzipiert und wird als Trendvalidierung bezeichnet. Die Durchführung der Analyse erfolgte unter Anwendung der Methode der Regressionsanalyse auf das gesamte Datensample für die Fehlerfunktionen in Abhängigkeit von den freien Entwurfsvariablen für jede gegebene FN. Die Evaluation der Daten mittels schrittweiser, multivariater Regressionsanalyse ergab sehr klare, signifikante Trends im gesamten Sample. Die Fehler weisen deshalb eine klare und einfache Abhängigkeit von den Entwurfsvariablen auf. Die Größenordnung der Fehler ist im allgemeinen nicht vernachlässigbar, da sie die kumulierten Effekte vieler modellbezogener und prozeduraler Approximationen beinhalten. Sie sind jedoch hinreichend systematisch, um direkte Folgerungen für Entwurfszwecke zu erlauben. Ein niedriger Rauschpegel beziehungsweise ein geringer Einfluss durch Zufallsfehler in der Regressionsanalyse der systematischen Serie von CFD-Ergebnissen konnte beobachtet werden, was gegen eine systematische experimentelle Serie validiert wurde. Dies wirkt ermutigend bezüglich der Zuverlässigkeit aktueller, den neuesten Stand der Technik repräsentierender CFD-Systeme für den Schiffsentwurf.
This study deals with the issue of the difference existing between predictions in ship hull form wave resistance derived from experiments (EFD data) and those based on the results of state of the art CFD systems. It concentrates on the question whether any observed errors between measured results and numerical predictions are primarily systematic functions of the hull form parameters or contain random errors to any significant degree. Thereby the study intends to make a contribution to the issue of the reliability of CFD results on wave-making resistance for ship design purposes relative to experimental data (EFD results). This problem was addressed here by means of a specific sample of hull shapes taken from a systematic test series, Series 60, and compared with numerical predictions from the numerical solver SHIPFLOW. The study was confined to the limited subset of Series 60 (CB from 0.6 to 0.7, lcb from -1.5% to 0.5% of LBP, L/B from 6.5 to 7.5 and B/T from 2.5 to 3.5) in order to investigate the trends in a physically coherent domain. The Series 60 results were obtained from the documented experimental data for full scale ships of standard length of 400 feet and were reinterpolated for a model size of L=20 feet by reverse application of the ATTC method in Series 60 to obtain the experimental values of CR and CW using the Froude and Hughes methods respectively. These data were inherently fair and free of random errors because the interpolation and presentation in the Series 60 documents had already removed any existing noise. This does not imply that the experimental data are error free, but any remaining error trends are systematic. The results obtained by computational fluid dynamics are thoroughly verified for their consistency. This was done by systematic sensitivity studies on the body panel number, free surface panel resolution, truncation domain and iterative convergence until the computational parameters were all set at such a level that further refinements did not produce relevant changes in excess of very small tolerances. These data are called and used as verified CFD data. The numerical and computational errors were investigated systematically over the whole range of the Series 60 subset by evaluating 58 distinct hull forms covering the domain of the free hull form parameters of Series 60 as densely as possible in practice. This yields a prediction of CWCFD for each individual hull form at various FN. The differences between experimental and computational results denoted by ER und EW can thus be obtained. The principal study concerns the dependence of two error function ER und EW on the four variables in the hull form definition, as in Series 60, and separately also on ship speed (FN). This analysis which was newly conceived in this work is called trend validation. It was performed by the methodology of regression analysis being applied to the whole sample data volume of the error function vs. the free design variables at any given FN. The evaluation of the data by stepwise, multivariate regression analysis showed very clear, significant trends in the whole sample. The errors therefore show a clear and simple dependence on the design variables. The errors are generally not of a negligible magnitude because they comprise the cumulative effects of many modeling and procedural approximations. But they are systematic enough to allow direct conclusions for design purposes. The observation of a low noise level or small random error influences in the regression analysis of systematic series CFD results, validated against a systematic experimental series, is encouraging regarding the reliability of current state of the art CFD systems n ship design.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-5604
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/955
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-658
Exam Date: 12-May-2003
Issue Date: 13-Nov-2003
Date Available: 13-Nov-2003
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): CFD-Prognosen
Serien 60
Trendvalidierung
CFD prediction
Series 60
Trend validation
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_15.pdf4,24 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.