Coupling between the DualSPHysics solver and multiphysics libraries: implementation, validation and real engineering applications

Abstract

Wave Energy Converters (WECs) are devices designed to harness wave energy from both coast and offshore. These devices include a power take-off (PTO) system to convert the wave energy into electricity. Probably the biggest challenge for wave energy is to ensure the efficiency and survivability of WECs by making the most of the energy potential of waves. For this reason, there is the need of using tools that facilitate the tasks of design and analysis of the behaviour of WECs. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a fundamental tool in that allows numerical tests to be carried out without the need to build scale models or real prototypes, thus saving time and money. Numerical models cannot replace physical tests, but they can significantly reduce their number and at the same time provide information that is difficult or impossible to measure in real tests. CFD models can be divided into mesh-based and mesh-free models. Among the mesh-free models, the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method is worth mentioning. The SPH method can perform simulations of fluid-structure interactions with high accuracy, where the free surface does not require special treatment and high deformations of the free surface can be solved without the problems that would appear in mesh models. However, one of the main limitations of these models is the high computational cost needed to solve the calculations. DualSPHysics model is a CFD based on the SPH method, oriented to the simulation of free surface fluids and their interaction with fixed and floating structures. It is a reference in the field of coastal engineering. Its main fields of application are: the study of wave energy generating devices, the evaluation and study of floating devices, the design of dykes and coastal protection and the interaction of waves with coastal structures. Normally, the use of a single model is not sufficient to simulate complex real-world problems because different physical processes or mechanisms not solved by CFD are involved. Therefore, coupling DualSPHysics with other models is necessary. MoorDyn+ is a mooring library based on the MoorDyn code. The development of MoorDyn+ arose from the need to couple DualSPHysics with a library that solves the mooring dynamics needed to simulate floating devices that are moored to the seabed. Project Chrono is a model that provides a multi-physics simulation engine. The application areas in which Project Chrono is most frequently used are vehicle dynamics, robotics and machine design. This model is able to simulate a large number of mechanical problems of varying complexity with high accuracy and efficiency, such as: rigid and deformable objects, collision detection, friction support, springs, joints, etc. Despite the existence of the DualSPHysics couplings with Project Chrono and MoorDyn+, there is a need to extend the existing functionalities in order to simulate more complex scenarios, such as reproducing WEC devices, PTO systems, simulation of flexible objects and simulation of mooring lines called tensors. Additionally, these models are computationally very slow by their nature, which means that they need to be accelerated by applying high-performance computing (HPC) techniques. The research work during the thesis period will focus on two main lines: i) the development of SPH computational code ideal for studying wave-floating structure interaction, which allows to evaluate and study the efficiency and survivability of WECs and ii) an optimisation and acceleration of the models to make them more computationally efficient by applying HPC techniques.

Los convertidores de energía undimotriz (WECs) son dispositivos diseñados para aprovechar la energía de las olas tanto de la costa como de alta mar. Estos dispositivos incluyen un sistema de toma de fuerza (PTO) para convertir la energía de las olas en electricidad. Probablemente, el mayor desafío para la energía undimotriz es garantizar la eficiencia y la capacidad de supervivencia de los WEC aprovechando al máximo el potencial energético de las olas. Por este motivo, existe la necesidad de utilizar herramientas que faciliten las tareas de diseño y análisis del comportamiento de los WEC. La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es una herramienta fundamental que permite realizar pruebas numéricas sin necesidad de construir maquetas o prototipos reales, ahorrando así tiempo y dinero. Los modelos numéricos no pueden sustituir a las pruebas físicas, pero pueden reducir significativamente su número y al mismo tiempo proporcionar información difícil o imposible de medir en pruebas reales. Los modelos CFD se pueden dividir en modelos basados en malla y modelos sin malla. Entre los modelos sin malla, cabe destacar el método de Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). El método SPH puede realizar simulaciones de interacciones fluido-estructura con alta precisión, donde la superficie libre no requiere un tratamiento especial y se pueden resolver altas deformaciones de la superficie libre sin los problemas que aparecerían en los modelos de malla. Sin embargo, una de las principales limitaciones de estos modelos es el alto costo computacional necesario para resolver los cálculos. El modelo DualSPHysics es un CFD basado en el método SPH, orientado a la simulación de fluidos con superficie libre y su interacción con estructuras fijas y flotantes. Es un referente en el campo de la ingeniería costera. Sus principales campos de aplicación son: el estudio de dispositivos generadores de energía undimotriz, la evaluación y estudio de dispositivos flotantes, el diseño de diques y protección costera y la interacción de las olas con las estructuras costeras. Normalmente, el uso de un solo modelo no es suficiente para simular problemas complejos del mundo real porque están involucrados diferentes procesos físicos o mecanismos no resueltos por CFD. Por lo tanto, es necesario acoplar a DualSPHysics con otros modelos. MoorDyn+ es una biblioteca de amarres basada en el código MoorDyn. El desarrollo de MoorDyn+ surgió de la necesidad de acoplar DualSPHysics con una librería que resolviera la dinámica de amarre necesaria para simular dispositivos flotantes que se encuentran amarrados al fondo marino. Project Chrono es un modelo que proporciona un motor de simulación multifísica. Las áreas de aplicación en las que Project Chrono se utiliza con mayor frecuencia son la dinámica de vehículos, la robótica y el diseño de máquinas. Este modelo es capaz de simular un gran número de problemas mecánicos de diversa complejidad con alta precisión, tales como: objetos rígidos y deformables, detección de colisiones, soporte de fricción, muelles, juntas, etc. A pesar de la existencia de los acoplamientos de DualSPHysics con Project Chrono y MoorDyn+, existe la necesidad de ampliar las funcionalidades existentes para simular escenarios más complejos, como la reproducción de dispositivos WEC, sistemas PTO, simulación de objetos flexibles y simulación de líneas de amarre llamadas tensores. Estos modelos son computacionalmente muy lentos por su naturaleza, lo que significa que deben acelerarse mediante el uso de técnicas de computación de alto rendimiento (HPC). El trabajo de investigación durante el periodo de tesis se centrará en dos líneas principales: i) el desarrollo de código computacional SPH ideal para estudiar la interacción ola-estructura flotantes, que permita evaluar y estudiar la eficiencia y supervivencia de los WECs y ii) una optimización y aceleración de los modelos para hacerlos más eficientes computacionalmente técnicas de HPC.

Os convertedores de enerxía ondimotriz (WECs) son dispositivos deseñados para aproveitar a enerxía das ondas tanto da costa como de alta mar. Estes dispositivos inclúen un sistema de toma de forza (PTO) para converter a enerxía das ondas en electricidade. Probablemente, o maior desafío para a enerxía ondimotriz é garantir a eficiencia e a capacidade de supervivencia dos WEC aproveitando ao máximo o potencial enerxético das ondas. Por este motivo, existe a necesidade de utilizar ferramentas que faciliten as tarefas de deseño e análise do comportamento dos WEC. A Dinámica de Fluídos Computacional (CFD) é unha ferramenta fundamental que permite realizar probas numéricas sen necesidade de construír maquetas ou prototipos reais, aforrando así tempo e diñeiro. Os modelos numéricos non poden substituír ás probas físicas, pero poden reducir significativamente o seu número e ao mesmo tempo proporcionar información difícil ou imposible de medir en probas reais. Os modelos CFD pódense dividir en modelos baseados en malla e modelos sen malla. Entre os modelos sen malla, cabe destacar o método de Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). O método SPH pode realizar simulacións de interaccións fluído-estrutura con alta precisión, onde a superficie libre non require un tratamento especial e pódense resolver altas deformacións da superficie libre sen os problemas que aparecerían nos modelos de malla. Con todo, unha das principais limitacións destes modelos é o alto custo computacional necesario para resolver os cálculos. O modelo DualSPHysics é un CFD baseado no método SPH, orientado á simulación de fluídos con superficie libre e a súa interacción con estruturas fixas e flotantes. É un referente no campo da enxeñería costeira. Os seus principais campos de aplicación son: o estudo de dispositivos xeradores de enerxía ondimotriz, a avaliación e estudo de dispositivos flotantes, o deseño de diques e protección costeira e a interacción das ondas coas estruturas costeiras. Normalmente, o uso dun só modelo non é suficiente para simular problemas complexos do mundo real porque están involucrados diferentes procesos físicos ou mecanismos non resoltos por CFD. Por tanto, é necesario axustar a DualSPHysics con outros modelos. MoorDyn+ é unha biblioteca de amarres baseada no código MoorDyn. O desenvolvemento de MoorDyn+ xurdiu da necesidade de axustar DualSPHysics cunha librería que resolvese a dinámica de amarre necesaria para simular dispositivos flotantes que se atopan amarrados ao fondo mariño. Project Chrono é un modelo que proporciona un motor de simulación multifísica. As áreas de aplicación nas que Project Chrono utilízase con maior frecuencia son a dinámica de vehículos, a robótica e o deseño de máquinas. Este modelo é capaz de simular un gran número de problemas mecánicos de diversa complexidade con alta precisión, tales como: obxectos ríxidos e deformables, detección de colisións, soporte de fricción, peiraos, xuntas etc. A pesar da existencia dos axustes de DualSPHysics con Project Chrono e MoorDyn+, existe a necesidade de ampliar as funcionalidades existentes para simular escenarios máis complexos, como a reprodución de dispositivos WEC, sistemas PTO, simulación de obxectos flexibles e simulación de liñas de amarre chamadas tensores. Estes modelos son computacionalmente moi lentos pola súa natureza, o que significa que deben acelerarse mediante o uso de técnicas de computación de alto rendemento (HPC). O traballo de investigación durante o período de tese centrarase en dúas liñas principais: i) o desenvolvemento de código computacional SPH ideal para estudar a interacción onda-estrutura flotantes, que permita avaliar e estudar a eficiencia e supervivencia dos WECs e ii) unha optimización e aceleración dos modelos para facelos máis eficientes computacionalmente técnicas de HPC.