Investigation of the Effect of Propeller Location with the use of CFD
Master thesis
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for marin teknikk [3389]
Abstract
Målet med denne masteroppgaven var å analysere propellens ytelse ved forskjelligeplasseringer i lengderetning ved hjelp av numeriske metoder. Motivasjonen for studien erhovedsakelige å redusere drivstofforbruket og implisitt minske klimagassutslippet. Andreparametre av betydning er forstyrrelser av det marine havmiljøet, som støy, og erosjonpå propellbladene. Oppgaven er en fortsettelse fra litteraturstudiet som ble utført høsten2018.
Et nøye studie av nåværende kunnskap innen numeriske metoder i marin hydrodynamikksamt parametre som påvirker innstrømmningen til propellen er presentert. Denne delenintroduserer hvordan metoder innenfor CFD er brukt til å predikere medstrømsfordelingog propellens hydrodynamiske ytelse. Klasseselskapet DNV GLs regelverk med hensyntil ettermontering av geometri på eksisterende fartøy er presentert og diskutert. Videreer innstrømning til propell, medstrømsfeltet, kavitasjon, energibesparende geometri ogplassering av propellen i lengderetning evaluert med hensyn til ytelse.
Alle numeriske simuleringer er utført på en kjemikalietanker med og uten energibesparendetilleggsgeometri. Stillevannskalkulasjonene utført i studien er gjort i CFD-programvarenFINE/Marine, levert av NUMECA. Medstrømsfeltene hentet ut fra de numeriske metodenebrukes til å utføre propellanalyser ved forskjellige langsgående posisjoner ved hjelpav propellprogrammet AKPA. En studie utført på samme type fartøy med identisktilleggsgeometri ved hjelp av numeriske og eksperimentelle metoder publisert av SINTEFmed samarbeidspartnere er gjentatte ganger brukt til sammenligning og verifikasjon avresultater. Simulering ved hjelp av CFD er utført på syv forskjellige geometrier medtilhørende domener. Dette inkluderer skrog uten PSS, med PSS og fem forskjellige PSS-justeringer.Angrepsvinkel til PSS bladene og vinkelposisjon er justert for å kvantifsereeffekten det påfører effektiviteten til propellen. Propellytelsen ved forskjellige fremgangstaller undersøkt, korresponderende til en hastighet på 12 og 16 knop i full skala. Alle utførtesimuleringer vurderes med hensyn til propellens plassering i lengderetningen.
De numeriske beregningene viser god overenskomst med eksperimentell testing og konvergerinnen kort tid. Simulering uten overflateeffekter kan gi enorme besparelser med hensyn tilkonsumert tid. Propellanalysene viser at propellens kraftforbruk kan reduseres ved å bliplassert nedstrøms fra original posisjon, så langt det lar seg gjøre innenfor geometriskebetingelser. En besparelse på 2.35% og 2.97% kan oppnås ved forflytte propellen tilposisjon 8 for skrog henholdsvis med og uten PSS. Ved å endre geometri på PSS kanytterligere 0.5% kuttes i forhold til original geometri. Forfytning av propell til posisjon8 kan minske sannsynligheten for kavitasjon med 18.11% avhengig av geometri. The goal of this research is to investigate the propeller location with the use of numericalmethods. The motivation of the study is mainly to lower the fuel consumption and thuslower the greenhouse gas emission. Other parameters such as disturbances to the marineenvironment and erosion on the propeller blades are also of importance. This thesisextends from the literature study made on the topic during the autumn of 2018.
A thorough study on the current state of knowledge within numerical methods in marinehydrodynamics and the influencing parameters on the propeller inflow are included. Thispart introduces how CFD may be applied to predict wake field and propeller performance.The classifcation society DNV GL's standards with respect to retrofitting of existingvessel is presented and discussed. Further is inflow to propeller, wake field, cavitationinception, ESD's and the location of the propeller presented and evaluated with respectto hydrodynamic performance.
All conducted simulations are performed on a chemical tanker with and without thepresence of a PSS. The calm water numerical computations conducted in the study isperformed in the CFD software FINE/Marine by NUMECA. Obtained wake field datais used to perform the propeller analysis at different longitudinal positions using thepropeller program AKPA. An equal study was conducted by SINTEF both with CFDand EFD on the same vessel, where the presented results are used for comparison andverification. The hull testing with CFD is conducted on seven geometries at operationalvessel speed, including naked hull, original PSS and five PSS adjustments. The pitchangle and angular position of the ESD fins is adjusted to quantify the effect on thepropulsor effciency. To determine the propeller performance at different advance numbers,a vessel speed of 1.21m/s and 1.61m/s in model scale, corresponding to 12 and 16 knotsin full scale, respectively, are tested. All the conducted simulations are evaluated withrespect to propeller location in the longitudinal direction. Parameters used to evaluatethe most suitable position is thrust, torque, efficiency, required power and the effect ofcavitation.