Experimental and numerical investigations on wave profiles and ventilation on a surface-piercing hydrofoil

Abstract

En serie eksperimenter ble gjennomført på to separate overflate-brytende hydrofoiler med Froude tall og angrepsvinkler som hovedparametrene. En bred foil med maksimum tykkelse, t = 120mm, der bølgeprofilene ble undersøkt og en smal foil med maksimum tykkelse, t = 40mm, som ble brukt til å studere ventilasjon. En usikkerhetsanalyse ble gjennomført på de eksperimentelle resultatene, dette ga en usikkerhet på ex = 7.5% for løftkreftene og ex = 2.7% på dragkreftene. I tillegg ble et utvalgt sett av kondisjonene til den vide foilen simulert ved hjelp av numerisk fluiddynamikk i programmet Fine/Marine. På denne måten kunne det trekkes konklusjoner ved hvor presis numeriske metoder er til å estimere bølgeprofiler.

Ventilerte strømninger og deres sensitivitet i henhold til ulike parametere ble studert ved å teste ulike metoder for å utvikle foilens hastighet. Enten ved å bruke en kvasi - statisk hastighetstilstand, eller ved akselerere hastigheten stegvis. Foilens angrepsvinkel ble justert både statisk og dynamisk. Effekten som disse faktorene hadde på ventilasjonens oppstart, utvaskelse og kavitasjonsstørrelse er rapport i dette arbeidet.

Resultatene fra den stegvise akselereringen og den kvasi-statiske tilstande ved lave akselerasjoner bekreftet tidligere undersøkelser gjennomført innenfor feltet når det gjelder strømningsoppførsel. Å øke akselerasjonen hadde en merkbar effekt på resultatene og oppstart av ventilasjon skjedde på mye lavere Froude tall, mens utvaskelse skjedde på høyere Froude tall. En reversering av de tidligere prominente hysterektiske effektene. Testene som inkluderte dynamiske vinkler, ga mindre konsekvente resultater og høyere Froude tall og angrepsvinkler var nødvendig for at ventilasjon skulle kunne utvikle seg.

Den frie bølgedannelsen ble numerisk simulert ved å gjenskape et utvalg av de samme kondisjonene som ble brukt på den vide foilen. Simuleringene var i stand til å estimere vannlinjen rundt foilen med ganske god nøyaktighet, men den undervurdert sterkt løftkreftene. Problemet er antatt å stamme fra det kritiske Reynoldsregimet som foilen befant seg i, noe som førte til at simuleringene ikke klarte å forutsi strømningene og da spesielt separasjonspunktet korrekt. For å løse dette problemet burde simuleringene bli repetert med en DES turbulensmodell i stedet for en k-omega turbulensmodell. Grunnet tidsbegrensinger kunne ikke dette oppnås innen rammeverket til denne masteroppgaven.

A series of experiments were carried out on two separate surface-piercing hydrofoils in a towing tank with the Froude numbers and angles of attack as the main parameters. One blunt foil with a maximum thickness, t = 120 mm, which was used to observe the free wave generation and one slender, t = 40 mm, where ventilated flows where studied. An uncertainty analysis on the experimental results gave an uncertainty of ex = 7.5% for the lift forces and ex = 2.7% for the drag force. Additionally, a subset of the same conditions used on the blunt foil were simulated in the CFD software Fine/Marine. This was done to draw conclusions on the accuracy of CFD in predicting wave profiles.

Ventilated flows and its sensitivity to transients were studied by testing different methods of velocity development, either using a quasi steady state or a step wise acceleration. Yaw angles were adjusted both statically and dynamically. Its effect on the rigid forces, inception, washout and size of the cavitation are reported in this work.

The results of the step wise acceleration and the quasi steady state at low accelerations confirmed previous research conducted on the topic of ventilation in terms of flow behaviour. Increasing the acceleration had a noticeable effect on the results and inception occurred at much lower Froude numbers and washout at higher Froude numbers. Reversing the hysterectic effect that previously had been prominent. Testing with dynamically varying angles resulted in less consistent data. Higher Froude numbers and yaw angles were necessary for any kind of ventilation to develop and flow behaviour was less predictable when the same conditions were repeated.

The free wave generation were simulated numerically by recreating a sub set of the conditions used on the blunt foil. The simulations were capable of predicting the wave profiles with a fair accuracy, but it vastly underestimated the lift force. The issue was assumed to stem from the critical Reynolds regime that the foil were in. To solve it the simulations should be run again using a DES turbulence model instead of a the k-omega- turbulence model. Due to a lack of time, this could not be achieved withing the scope of this thesis.