The phase-averaged velocity fields of 3 dimensional turbulent wake behind a marine propeller measured by 2D PIV and stereoscopic PIV(SPIV) were compared directly. In-plane velocity fields obtained from the consecutive particle images captured by one camera in 2D PIV have perspective errors due to out-of-plane motion. However, the perspective errors can be removed by measuring three component velocity fields using SPIV method with two cameras. It is also necessary to measure three components velocity fields for the investigation of complicated near-wake behind the propeller for the suitable propeller design. 400 instantaneous velocity fields were measured for each of four different blade phases of $0^{\circ},\;18^{\circ},\;36^{\circ}C\;and\;54^{\circ}$. They were ensemble averaged to investigate the spatial evolution of the propeller wake in the downstream region. The phase-averaged velocity fields show the viscous wake developed along the blade surfaces and tip vortices were formed periodically. The perspective errors caused by the out-of-plane motion was estimated by the comparison of 2D PIV and SPIV results. The difference in the axial mean velocity fields measured by both techniques are nearly proportional to the mean out-of-plane velocity component which has large values in the regions of the tip and trailing vortices. The axial turbulence intensity measured by 2D PIV was overestimated since the out-of-plane velocity fluctuations influence the in-plane velocity vectors and increase the in-plane turbulence intensities.
Flow characteristics of hull wake behind a container ship model were investigated experimentally with varying loading condition and Reynolds number. Large-scale bilge vortices of nearly the same strength are formed in the near-wake region. They are symmetric and counter-rotating with respect to the wake centerline for all loading conditions tested. With going downstream for both design and ballast loading conditions, the strength of the bilge vortices decreases and the wake region expands due to diffusion and viscous dissipation. Under the design loading condition, the bilge vortices start to appear at St=0.363 transverse plane above the propeller-boss. For the ballast loading condition, however, the bilge vortices start to appear at St=0.591 below the propeller-boss. They move upward as the hull wake goes downstream and Reynolds number increases. These wake characteristics, under the ballast loading condition, may weaken the propulsion and cavitation performances of the propeller, which are usually optimized for the design loading condition.
Park, Sun-Ho;Seo, Jeong-Hwa;Kim, Dong-Hwan;Rhee, Shin-Hyung;Kim, Ki-Sup
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.48
no.6
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pp.501-508
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2011
In order to control the tip vortex cavitation occurring around the tip of a rotating propeller blade, researches on the propeller cavitation and blade tip vortex flows have been increased. In this paper, the propeller tip vortex flow for a blunt and sharp tips was studied using an unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations solver based on a cell-centered finite volume method. In numerical open water test, torques, thrusts, pressure distributions and vortex flows were compared for various rotating speeds. To consider a hull wake, the nominal wake was specified in inlet boundary condition. Pressure distributions and vortex flows with the hull wake were investigated for various propeller rotating angles. From the results, it was confirmed that the blunt tip propeller delayed the tip vortex flow.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.48
no.2
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pp.128-133
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2011
In the present study, the flow fields in between the propeller and the semi-spade rudder are investigated by using PIV technique to find out the influences of both simulated hull wake and propeller wake on the incident flow to the rudder. The velocity fields are measured at the propeller rotation angle of $180^{\circ}$ and the rudder deflection angles of $0^{\circ}$. Flow fields measured at each rudder deflection angle are analyzed in terms of angle-of-attack against the rudder leading edge. The hull wake increases the angle-of-attack more than that in the uniform inflow condition, forming the angle-of-attack of about $20^{\circ}$ at 0.7R(R=propeller radius) position. The distribution of the angle-of-attack is strongly affected by the stagnation point around the leading edge and camber effect of the rudder. These effects provide asymmetric distribution of angle-of-attack with respect to the leading edge of the rudder.
In this study, CFD analysis was conducted to compare the aerodynamic performance of the isolated propeller and pusher propeller, which is affected by the wake of wide fuselage. The moving reference frame (MRF) method was used for isolated propeller analysis, while the MRF and sliding mesh method were used sequentially for the pusher propeller to analyze the change in the aerodynamic characteristics based on the azimuth angle. Under the same torque condition, the thrust of the pusher propeller was greater than that of the isolated propeller. Thrust increment of the pusher propeller was mainly generated near the root of the blade where the fuselage wake was concentrated. The net efficiency of the pusher propeller was greater than or equal to that of the isolated propeller. Because of the flat fuselage shape, thrust and torque of the pusher propeller periodically changed with the rotation of the propeller.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.9
no.6
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pp.677-692
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2017
A numerical approach based on a potential flow method is developed to simulate the unsteady interaction between propeller and rudder. In this approach, a panel method is used to solve the flow around the rudder and a vortex lattice method is used to solve the flow around the propeller, respectively. An iterative procedure is adopted to solve the interaction between propeller and rudder. The effects of one component on the other are evaluated by using induced velocities due to the other component at every time step. A fully unsteady wake alignment algorithm is implemented into the vortex lattice method to simulate the unsteady propeller flow. The Rosenhead-Moore core model is employed during the wake alignment procedure to avoid the singularities and instability. The Lamb-Oseen vortex model is adopted in the present method to decay the vortex strength around the rudder and to eliminate unrealistically high induced velocity. The present methods are applied to predict the performance of a cavitating horn-type rudder in the presence of a 6-bladed propeller. The predicted cavity patterns compare well with those observed from the experiments.
The computational fluid dynamics software FLUENT is used to calculate and compare the hydrodynamic performance of the propeller-rudder system of a 42-m trawler, which is installed with a ducted propeller. The effects of rudder on the hydrodynamic performance of the ducted propeller and the wake flow behind the propeller are firstly investigated. In addition, the different rudder angles are also considered to further study the performance of this system.
LDV measurements in large cavitation tunnel around a propeller in operation are carried out to provide valuable information for more accurate wake-adapted propeller design and to study hull-propeller interactions. Effective velocities are computed by both the simplified vortex ring method and by RANS solver with the body force representing the propeller load. The former method uses the nominal velocities measured at the propeller plane as an input data of the numerical method and shows a better agreement with experimental data. The latter shows the qualitative agreement and may be used as an alternative design tools in the preliminary design stage.
Kim, Chang-Joo;Kim, Sang Ho;Park, TaeSan;Park, Soo Hyung;Lee, Jae Woo;Ko, Joon Soo
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.15
no.4
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pp.356-365
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2014
This paper is the second in a series and aims to build a high-fidelity mathematical model for a propeller-driven airplane using the propeller's aerodynamics and inertial models, as developed in the first paper. It focuses on aerodynamic models for the fuselage, the main wing, and the stabilizers under the influence of the wake trailed from the propeller. For this, application of the vortex lattice method is proposed to reflect the propeller's wake effect on those aerodynamic surfaces. By considering the maneuvering flight states and the flow field generated by the propeller wake, the induced velocity at any point on the aerodynamic surfaces can be computed for general flight conditions. Thus, strip theory is well suited to predict the distribution of air loads over wing components and the viscous flow effect can be duly considered using the 2D aerodynamic coefficients for the airfoils used in each wing. These approaches are implemented in building a high-fidelity mathematical model for a propeller-driven airplane. Flight dynamic analysis modules for the trim, linearization, and simulation analyses were developed using the proposed techniques. The flight test results for a series of maneuvering flights with a scaled model were used for comparison with those obtained using the flight dynamics analysis modules to validate the usefulness of the present approaches. The resulting good correlations between the two data sets demonstrate that the flight characteristics of the propeller-driven airplane can be analyzed effectively through the integrated framework with the propeller and airframe aerodynamic models proposed in this study.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.51
no.1
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pp.1-7
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2014
The present study numerically investigated the effect of the advance ratio on the wake characteristics of the marine propeller in the propeller open water test. Therefore, a wide range of the advance ratio(0.2${\kappa}-{\omega}$SST Model are considered. The three-dimensional vortical structures of tip vortices are visualized by the swirl strength, resulting in fast decay of the tip vortices with increasing the advance ratio. Furthermore, to better understanding of the wake evolution, the contraction ratio of the slip stream for different advance ratios is extracted from the velocity fields. Consequently, the slip stream contraction ratio decreases with increasing the advance ratio and successively the difference of the slip stream contraction ratio between J=0.2 and J=0.8 is about 0.1R.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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