Investigation of the Effect of Propeller Location with the use of CFD

Abstract

Målet med denne masteroppgaven var å analysere propellens ytelse ved forskjellige plasseringer i lengderetning ved hjelp av numeriske metoder. Motivasjonen for studien er hovedsakelige å redusere drivstofforbruket og implisitt minske klimagassutslippet. Andre parametre av betydning er forstyrrelser av det marine havmiljøet, som støy, og erosjon på propellbladene. Oppgaven er en fortsettelse fra litteraturstudiet som ble utført høsten 2018.

Et nøye studie av nåværende kunnskap innen numeriske metoder i marin hydrodynamikk samt parametre som påvirker innstrømmningen til propellen er presentert. Denne delen introduserer hvordan metoder innenfor CFD er brukt til å predikere medstrømsfordeling og propellens hydrodynamiske ytelse. Klasseselskapet DNV GLs regelverk med hensyn til ettermontering av geometri på eksisterende fartøy er presentert og diskutert. Videre er innstrømning til propell, medstrømsfeltet, kavitasjon, energibesparende geometri og plassering av propellen i lengderetning evaluert med hensyn til ytelse.

Alle numeriske simuleringer er utført på en kjemikalietanker med og uten energibesparende tilleggsgeometri. Stillevannskalkulasjonene utført i studien er gjort i CFD-programvaren FINE/Marine, levert av NUMECA. Medstrømsfeltene hentet ut fra de numeriske metodene brukes til å utføre propellanalyser ved forskjellige langsgående posisjoner ved hjelp av propellprogrammet AKPA. En studie utført på samme type fartøy med identisk tilleggsgeometri ved hjelp av numeriske og eksperimentelle metoder publisert av SINTEF med samarbeidspartnere er gjentatte ganger brukt til sammenligning og verifikasjon av resultater. Simulering ved hjelp av CFD er utført på syv forskjellige geometrier med tilhørende domener. Dette inkluderer skrog uten PSS, med PSS og fem forskjellige PSS-justeringer. Angrepsvinkel til PSS bladene og vinkelposisjon er justert for å kvantifsere effekten det påfører effektiviteten til propellen. Propellytelsen ved forskjellige fremgangstall er undersøkt, korresponderende til en hastighet på 12 og 16 knop i full skala. Alle utførte simuleringer vurderes med hensyn til propellens plassering i lengderetningen.

De numeriske beregningene viser god overenskomst med eksperimentell testing og konverger innen kort tid. Simulering uten overflateeffekter kan gi enorme besparelser med hensyn til konsumert tid. Propellanalysene viser at propellens kraftforbruk kan reduseres ved å bli plassert nedstrøms fra original posisjon, så langt det lar seg gjøre innenfor geometriske betingelser. En besparelse på 2.35% og 2.97% kan oppnås ved forflytte propellen til posisjon 8 for skrog henholdsvis med og uten PSS. Ved å endre geometri på PSS kan ytterligere 0.5% kuttes i forhold til original geometri. Forfytning av propell til posisjon 8 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 numerical methods. The motivation of the study is mainly to lower the fuel consumption and thus lower the greenhouse gas emission. Other parameters such as disturbances to the marine environment and erosion on the propeller blades are also of importance. This thesis extends 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 marine hydrodynamics and the influencing parameters on the propeller inflow are included. This part 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 existing vessel is presented and discussed. Further is inflow to propeller, wake field, cavitation inception, ESD's and the location of the propeller presented and evaluated with respect to hydrodynamic performance.

All conducted simulations are performed on a chemical tanker with and without the presence of a PSS. The calm water numerical computations conducted in the study is performed in the CFD software FINE/Marine by NUMECA. Obtained wake field data is used to perform the propeller analysis at different longitudinal positions using the propeller program AKPA. An equal study was conducted by SINTEF both with CFD and EFD on the same vessel, where the presented results are used for comparison and verification. The hull testing with CFD is conducted on seven geometries at operational vessel speed, including naked hull, original PSS and five PSS adjustments. The pitch angle and angular position of the ESD fins is adjusted to quantify the effect on the propulsor 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 knots in full scale, respectively, are tested. All the conducted simulations are evaluated with respect to propeller location in the longitudinal direction. Parameters used to evaluate the most suitable position is thrust, torque, efficiency, required power and the effect of cavitation.