In this paper, we establish an analysis algorithm and a design procedure for a Vane-Wheel which is a freely rotating device behind a propeller, by using a panel method. Vane-Wheel's function is to extract energy from the propeller slipstream in turbine part which is inner part of the Vane-Wheel, and convert this energy into an additional propulsive thrust in propeller part which is outer part of the Vane-Wheel. Two parts must satisfy torque balance and thrust has to act to the ship's forward direction. A Vane-Wheel has large interaction effect with propeller since it is placed behind of the propeller. Therefore, in order to consider interaction effect correctly, incoming velocity to the Vane-Wheel in a circumferential mean wake was calculated considering induced velocity from propeller to the Vane-Wheel. Likewise, incoming velocity to the propeller was calculated considering induced velocity from the Vane-Wheel to the propeller. This process is repeated until a converged result is obtained.
The development of a high-lift rudder is needed because low speed full ships such as the VLCC(Very Large Crude oil Carrier) have difficulty for obtaining enough lifting force from a common rudder. The rudder of a ship is generally positioned behind the hull and propeller. Therefore, rudder design should consider the interactions between hull, propeller, and rudder. In the present study, the FLUENT code and body fitted mesh systems generated by the GRIDGEN program are adopted for the numerical simulations of flow characteristics around a rudder that is interacting with hull and propeller. Sliding mesh model(SMM) is adopted to analyze the interaction between propeller rotation and wake flow behind hull. Several numerical simulations are performed to compare the interactions such as hull-rudder, propeller-rudder, and hull-propeller-rudder. Also, we consider relationships between the interactions. The results of present numerical simulations show the variation of flow characteristics by the interaction between hull, propeller, and rudder, and these results are compared with an existing experimental result. The present study demonstrates that numerical simulations can be used effectively in the design of high-lift rudder behind low speed full ship.
Flow fields in a half ducted propeller fan have been investigated by three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulations and a vortex core identification technique. The simulation at the design operating condition shows that the tip vortex onset point is located at 30 percent tip chord of the suction surface on the blade tip. There is no interaction between the tip vortex and the adjacent blade, so that the tip vortex smoothly convects to the rotor exit. However, the high vorticity in the tip vortex causes the wake and the tip leakage flow to be twined around the tip vortex and to interact with the pressure surface of the adjacent blade. This flow behavior corresponds well with experimental results by Laser Doppler Velocimetry. On the contrary, the simulation at the low-flowrate operating condition shows that the tip vortex onset point is located at the 60 percent tip chord of the suction surface. In contrast to the design operating condition, the tip vortex grows almost tangential direction, and impinges directly on the pressure surface of the adjacent blade.
본 논문은 불균일한 선미 유동장에서 작동하는 프로펠러의 성능 해석을 위한 포텐셜을 기저로 한 판요소법을 기술하고 있다. 본 방법은 법선 다이폴과 쏘오스를 프로펠러의 날개, 허브, 그리고 후류면에 분포하였고, 비정상 유동의 해석 방법으로는 시간 전진법에 의한 방법을 취함으로써 다이폴의 세기를 미지수로 하는 적분방정식을 얻고, 이산화하여 수치적으로 계산하였다. 2차원 날개에 대한 수치해석을 수행하여 해석해와 비교함으로써 시간간격에 대한 수렴성을 확보하였다. 또한, DTRC 4118 프로펠러에 대하여 조화반류하에서 작동하는 프로펠러의 비정상 성능을 해석하여 실험치와 비교함으로써 시간영역에서 프로펠러의 비정상 성능해석이 가능함을 보였다.
It is important to understand the flow characteristics such as wave and wake development around a ship for the design of the hull forms with better resistance and propulsive performance. The experimental results explicating the local flow characteristics are also invaluable for validation of the physical and numerical modeling of CFD codes, which are recently gaining acknowledgements as efficient tools for hull form evaluation This paper describes velocity and wave profiles measured in the towing tank for the KRISO 138K LNG Carrier (KLNG) model with propeller and rudder. The results contained in this paper can provide the valuable information on the effect of propeller and rudder on stern flow characteristics of the modern commercial hull form, furthermore, the present experimental data will provide important database for CFO validation.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제6권3호
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pp.562-577
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2014
A reliable steady/transient hydro-elastic analysis is developed for flexible (composite) marine propeller blade design which deforms according to its environmental load (ship speed, revolution speed, wake distribution, etc.) Hydro-elastic analysis based on CFD and FEM has been widely used in the engineering field because of its accurate results however it takes large computation time to apply early propeller design stage. Therefore the analysis based on a boundary element method-Finite Element Method (BEM-FEM) Fluid-Structure Interaction (FSI) is introduced for computational efficiency and accuracy. The steady FSI analysis, and its application to reverse engineering, is designed for use regarding optimum geometry and ply stack design. A time domain two-way coupled transient FSI analysis is developed by considering the hydrodynamic damping ffects of added mass due to fluid around the propeller blade. The analysis makes possible to evaluate blade strength and also enable to do risk assessment by estimating the change in performance and the deformation depending on blade position in the ship's wake. To validate this hydro-elastic analysis methodology, published model test results of P5479 and P5475 are applied to verify the steady and the transient FSI analysis, respectively. As the results, the proposed steady and unsteady analysis methodology gives sufficient accuracy to apply flexible marine propeller design.
This paper systematically investigates and correlates pressure fluctuation and nominal wake characteristics according to the angle of the vortex generators by introducing the angle adjustment method of the Vortex Generator (VG). The vortex generators are installed at the port and starboard of a model ship. The vortex generator performance test is executed on a model ship installed in the Large Cavitation Tunnel (LCT) and the angle of VG is freely controlled by a servo motor. The systematic test results for the vortex generator show that the well-designed VG is an effective appendage for reducing the pressure fluctuation level and shows the direction of VG's angular design optimization.
The ship wake generated by rotation of the propeller yields changes of characteristics of sound wave such as attenuation and scattering. To develope a battle field environment simulator for military purposes, it is very important to understand acoustical properties of ship wake. Existing research results have limitations in direct application because they performed under simple conditions or model ships were applied. In this study, we developed a ship wake generation model based on the ship's geometric wake distribution theory. The model can provide spatial distribution and void fraction with various marine environments as well as ship size. Through the developed model, geometric distribution features of ship wake according to the ship's maneuvering conditions were successfully simulated. In addition, changes of the bubble void fraction with time at any location within the battle field environment were identified. Therefore, the developed model is expected to be used in the development of a simulator to measure the acoustic characteristics of the ship wake.
In the beginning of the 1990's, numerous shaft bearing damages, especially in aft stern tube bearing, were reported. The main reasons of bearing damages were estimated that hull deflections have been increased by more flexible hulls and propeller dynamic loads have not been considered in shaft alignment. After that time, studies to take into account hull deflections in shaft alignment have been actively carried out, but for the latter leave much to be desired. In this study, the effects of the propeller forces on the propeller shaft bearing have been investigated by estimating thrust eccentricity as reasonable as possible although some assumptions to simulate turning of ship were introduced. Three dimensional nominal wake to estimate thrust eccentricity have been calculated by using CFD analysis and model test in the towing tank. This study presents the procedure to estimate the propeller eccentric forces and their influence on the stern tube bearing for a container carrier. As a result, it has been found that the lateral propeller forces in turning condition should be considered in shaft alignment to prevent shaft bearing damages.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제11권2호
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pp.899-913
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2019
In order to provide a complementary perspective to the effects of the maneuvering motions on the unsteady propeller performance, the numerical simulation of the flow field of the hull-rudder- propeller system is performed by Unsteady Reynolds-averaged Naiver-Stokes (URANS) method. Firstly, the flow fields around the submarine model without the presence of propeller in straight ahead motion and the steady diving maneuvers with submergence rudder deflections of 4°, 8° and 12° are predicted numerically. The non-uniformity characteristic of the nominal wake field is exacerbated with the increase submergence rudder angle. Then the flow field around the SUBOFF-G submarine fitted with the 4381 propeller is simulated. The axial, transverse and vertical unsteady propeller forces in different maneuvering conditions are compared. In general, as the submarine maneuvers more violently, the harmonic amplitudes of the unsteady force at the 2BPF and 3BPF increased more significantly than that at BPF.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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