The present work develops a method of evaluating thrust deduction and wake for different loads of the propeller using the concerted application of the theoretical tools and experimental techniques. It also shows the applicability of the new method to the design of optimum hull form. Firstly, the problem of hull-propeller interaction was analyzed in terms of inviscid as well as viscous components of the thrust deduction and wake. The wavemaking resistance of a hull and propeller were mathematically represented by sources on the hull surface and sink on the propeller plane, respectively. The strength of sink was determined by utilizing the radial distributions of propeller load and nominal wake. The resistance increment due to a propeller and the axial perturbation flow induced by the hull in the propeller plane were calculated. Especially, the inviscid component of the thrust deduction was calculated by subtraction the wavemaking resistance of a bare hull, the wavemaking resistance of a free-running propeller and the augmentation of propeller resistance due to hull action from the wavemaking resistance of the hull with a propeller. The viscous components of the thrust deduction and wake were estimated as functions of propeller load which were established by the propeller load varying test after deduction the calculated inviscid components. Secondly, an analysis method of powering performance was developed based on the potential theory and the propeller load varying test. The hybrid method estimates the thrust deduction, wake and propeller open-water efficiency for different propeller load. This method can be utilized in the analysis of powering performance for the propeller load variation such as the added resistance due to hull surface roughness, the added resistance due to wind, etc. Finally, the hybrid method was applied to the optimum design of hull form. A series of afterbody shapes was obtained by systematically varying the waterplane and section shapes of a parent afterbody without changing the principal dimensions, block coefficient and prismatic coefficient. From the comparison of the predicted results such as wavemaking resistance, thrust deduction, wake and delivered power, an optimum hull form was obtained. The delivered power of the optimized hull form was reduced by 5.7% which was confirmed by model tests. Also the predicted delivered power by the hybrid method shows fairly good agreement with the test result. It is therefore considered that the new analysis method of powering performance can be utilized as a practical tool for the design of optimum hull form as for the analysis of powering performance for the propeller load variation in the preliminary design stage.
CFD tools were intensively used to develop a bulk carrier hull form of 180,000 DWT. HCAD and WAVIS were utilized to vary and evaluate the hull forms. LCB and framelines were systematically changed starting from a mothership. Resistance characteristics have been assessed by evaluating the wave-pattern resistance and viscous pressure drag along with the wave profile and wake distribution. It was found that the hull forms obtained from LCB variations were not good enough to satisfy the target resistance coefficient because of large wave generation at the design speed. After choosing the appropriate one from the LCB variation series, bow and stern framelines have been modified to improve wave-making characteristics and wake distribution, respectively. Model tests were performed to confirm the CFD results. Furthermore, the effect of free surface on CFD application was investigated, and a few comments are given on the difference between WAVIS version 1.4 and 2.0.
There have existed for a number of years good practice guidelines for the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) in the field of wind engineering. As part of those guidelines, details are given for the size of flow domain that should be used around a building of height, H. For low-rise buildings, the domain sizes produced by following the guidelines are reasonable and produce results that are largely free from blockage effects. However, when high-rise or tall buildings are considered, the domain size based solely on the building height produces very large domains. A large domain, in most cases, leads to a large cell count, with many of the cells in the grid being used up in regions far from the building/wake region. This paper challenges this domain size guidance by looking at the effects of changing the domain size around a tall building. The RNG ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulence model is used in a series of steady-state solutions where the only parameter varied is the domain size, with the mesh resolution in the building/wake region left unchanged. Comparisons between the velocity fields in the near-field of the building and pressure coefficients on the building are used to inform the assessment. The findings of the work for this case suggest that a domain of approximately 10% the volume of that suggested by the existing guidelines could be used with a loss in accuracy of less than 10%.
트랜섬 선미 형상변화에 따른 후류 유동특성을 알아보기 위해 $Re=3.5{\times}103$ 및 $Re=7.0{\times}103$에서 수면하부 유동을 계측하였다. 선미형상변화에 따른 유동장 계측을 위해 2-프레임 그레이레벨 상호상관 PIV기법을 이용하여 분석하였다. 선미형상은 실선조사 결과를 바탕으로 선저와 이루는 각을 각각 $45^{\circ}$(모델 A), $90^{\circ}$(모델 B) 및 $135^{\circ}$(모델 C)를 실험에 적용하였다. 모델의 선미 침수면의 깊이는 자유 수면으로부터 40mm를 기초하였다. 레이놀즈수가 증가함에 따라, 와의 규모가 증가하고 하류로 길게 형성되는 경향을 나타냈다.
This paper describes the effects to wind turbine blade aerodynamics due to interaction between blade and tower on upwind type HAWT. In order to analyze effects of blade-tower interact ion, the analyst s program WINFAS which is based on VLM(Vortex Lattice Method), Free wake and FVE model is used. In this study, the changes of wind turbine blade aerodynamics caused by blade-tower interact ion are Investigated with various parameters windshear, yaw error, TSR and tower diameter.
Flow structures around a rectangular prism have been investigated by using a PIV(Particle Image Velocimetry) technique. A thick turbulent boundary layer was generated by using spires arid roughness elements. The boundary layer thickness, displacement thickness and momentum thickness were 650mm, 117.4mm and 78mm, respectively. The ratio between the model height(40mm) and the boundary layer thickness H/$\delta$, was 0.06. The Reynolds number based on the free stream velocity and the height of the model was 7.9$\times$10$^3$. The PIV measurements were performed at three different wall normal planes. Three recirculation regions at forward facing step, top of the roof and backward facing step are clearly seen and show three dimensional features. Dramatic changes of flow patterns are observed in the wake regions in the different spanwise wall normal planes. Instead of reattachment and recirculation zone, rising streamlines are depicted at the normal planes near the side wall due to the interaction with a rising horse shoe vortex. The peak of turbulent kinetic energy occurs at the separation bubble on top of the roof and the magnitude is 2.5 times higher compared with that of the wake region.
In the ship design process, ship motion and propulsion performance in sea waves became very important issues. Especially, prediction of ship propulsion performance during real operation is an important challenge to ship owners for economic operation in terms of fuel consumption and route-time evaluation. Therefore, it should be considered in the early design stages of the ship. It is thought that the averaged value and fluctuation of effective inflow velocity to the propeller have a great effect on the propulsion performance in waves. However, even for the nominal velocity distribution, very few results have been presented due to some technical difficulties in experiments. In this study, flow measurements near the propeller plane using a stereo PIV system were performed. Phase-averaged flow fields on the propeller plane of a KVLCC2 model ship in waves were measured in the towing tank by using the stereo PIV system and a phase synchronizer with heave motion. The experiment was carried out at fully loaded condition with making surge, heave and pitch motions free at a forward speed corresponding to Fr=0.142 (Re=2.55×106) in various head waves and calm water condition. The phase averaged nominal velocity fields obtained from the measurements are discussed with respect to effects of wave orbital velocity and ship motion. The low velocity region is affected by pressure gradient and ship motion.
Large Eddy Simulation (LES) is used to study the effects of steady slot suction on the aerodynamic forces of and flow around a wall-mounted finite-length square cylinder. The aspect ratio H/d of the tested cylinder is 5, where H and d are the cylinder height and width, respectively. The Reynolds number based on free-stream oncoming flow velocity U∞ and d is 2.78×104. The suction slot locates near the leading edge of the free end, with a width of 0.025d and a length of 0.9d. The suction coefficient Q (= Us/U∞) is varied as Q = 0, 1 and 3, where Us is the velocity at the entrance of the suction slot. It is found that the free-end steady slot suction can effectively suppress the aerodynamic forces of the model. The maximum reduction of aerodynamic forces occurs at Q = 1, with the time-mean drag, fluctuating drag, and fluctuating lift reduced by 3.75%, 19.08%, 40.91%, respectively. For Q = 3, all aerodynamic forces are still smaller than those for Q = 0 (uncontrolled case), but obviously higher than those for Q = 1. The involved control mechanism is successfully revealed, based on the comparison of the flow around cylinder free end and the near wake for the three tested Q values.
Large-eddy simulations of the flow around a circular cylinder at a Reynolds number, based on cylinder diameter and free-stream velocity, $Re_D=2{\times}10^4$ are presented. Three different dynamic subgrid-scale models are used, viz. the dynamic eddy-viscosity model and two different mixed two-parameter models. The sensitivity to grid refinement in the spanwise and radial directions is systematically investigated. For the highest resolution considered, the effects of subgrid-scale modeling are also discussed in detail. In particular, it is shown that SGS modeling has a significant influence on the low-frequency modulations of the aerodynamics loads, which are related to significant changes in the near wake structure.
Computational Study of a sphere subjected to free stream flow and simultaneously subjected to spinning motion is carried out. Three dimensional compressible Navier-Stokes equations are solved using fully implicit finite volume scheme. SST(Shear Stress Transport) $k-{\omega}$ turbulence model is used. Aerodynamic characteristics being affected are studied. Validation of the numerical process is done for the no spin condition. Variation of drag coefficient and shock wave strength with increase in spinning rate is reported. Changes in the wake region of the sphere with respect to spinning speed are also observed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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