Propellers operating in a given nonuniform ship wake generate unsteady loads leading to undesirable stern vibration problems. The skew is known to be the most proper and effective geometric parameter to control or reduce the fluctuating forces on the shaft. This paper assumes the skew profile as either a quadratic or a cubic function of the radius and determines the coefficients of the polynomial function by applying the simplex method. The method uses the converted unconstrained algorithm to solve the constrained minimization problem of 6-component shaft excitation forces. The propeller excitation was computed either by applying the two-dimensional gust theory for quick estimation or by the fully three-dimensional unsteady lifting surface theory in time domain for an accurate solution. A sample result demonstrates that the shaft forces can be further reduced through optimization from the original design.
In this study, we analyzed the three dimensional unsteady flow field around the motor cooling fan using the unsteady lifting surface theory. We obtained the flow rate for various geometries of fan from the calculated results of velocity field. For the data of design parameter and rotating speed(rpm) of the fan, we can predict the flow rate of the motor cooling fan with thin thickness through numerical analysis without the experimental data of the free stream velocity which is a boundary condition of flow field. the numerical results showed the flow rate within 10% of error in comparison with experimental results. The radial fans, which are often used as internal motor fan were also investigated with the same procedure.
Unsteady aerodynamic analysis of an aircraft is done using a frequency domian 3-D panel method. The method is based on an unsteady linear compressible lifting surface theory. The lifting surface is placed in a flight patch, and angle of attack and camber effects are implemented in upwash. Fuselage effects are not considered. The unsteady solutions of the code are validated by comparing with the solutions of a hybrid doublet lattice-doublet point method and a doublet point method for various wing configurations at subsonic and supersonic flow conditions. The calculated results of dynamic stability derivatives for aircraft are shown without comparision due to lack of available measured data or calculated results.
An experimental method to estimate the added mass of a marine propeller has been developed for the axial rigid body motion in still water, and the experiments have been carried out. The experimental result has been compared to the theoretical result by PRODAS based on the unsteady lifting surface theory. The experimental method developed in this research and the theoretical method by PRODAS have been validated by confirming good agreements between the experimental results and the theoretical ones. Also the comparison to the results by empirical formula has been made and discussed.
Goto, S.;Kodama, H.;Tsuchiya, N.;Nakamura, Y.;Nozaki, O.;Nishizawa, T.;Yamamoto, K.
한국추진공학회:학술대회논문집
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한국추진공학회 2004년도 제22회 춘계학술대회논문집
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pp.472-478
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2004
This paper describes the characteristics of the unsteady pressure on the stator surface induced by rotor viscous wakes. The primary object of this study is to investigate the effects of axial spacing between the rotor and the stator and three-dimensional vane geometries such as stator sweep and stator lean on the unsteady pressure fluctuations on the stator vane. To predict these fluctuations, unsteady three-dimensional Navier-Stokes analyses are performed. Furthermore, a three-dimensional analytical method using unsteady lifting-surface theory is also used to elucidate the mechanism of interaction of passing rotor wakes with downstream stator. Five different fan configurations with three sets of stator geometries, which are three radial stator configurations with different axial spacing, the swept stator and the swept and leaned stator, are used for this study. It is found that, in axial spacing between rotor and stator, the effect of radial phase skew of incoming rotor wake is important for the reduction of the induced unsteady pressure in addition to the rotor wake decay. It is also shown that incorporation of stator sweep and lean is effective to reduce this unsteady pressure.
Kim, Jin;Kim, Kwang-Soo;Kim, Gun-Do;Park, Il-Ryong;Van, Suak-Ho
Journal of Ship and Ocean Technology
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제10권4호
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pp.1-11
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2006
The finite volume based multi-block RANS code, WAVIS developed at MOERI is applied to the numerical self-propulsion test. WAVIS uses the cell-centered finite volume method for discretization of the governing equations. The realizable $k-{\epsilon}$ turbulence model with a wall function is employed for the turbulence closure. The free surface is captured with the two-phase level set method and body forces are used to model the effects of a propeller without resolving the detail blade flow. The propeller forces are obtained using an unsteady lifting surface method based on potential flow theory. The numerical procedure followed the self-propulsion model experiment based on the 1978 ITTC performance prediction method. The self-propulsion point is obtained iteratively through balancing the propeller thrust, the ship hull resistance and towing force that is correction for Reynolds number difference between the model and full scale. The unsteady lifting surface code is also iterated until the propeller induced velocity is converged in order to obtain the propeller force. The self-propulsion characteristics such as thrust deduction, wake fraction, propeller efficiency, and hull efficiency are compared with the experimental data of the practical container ship. The present paper shows that hybrid RANS and potential flow based numerical method is promising to predict the self-propulsion parameters of practical ships as a useful tool for the hull form and propeller design.
The paper studies the effect of neighboring blade rows on flutter characteristics of cascading blades. For this purpose the computation program to calculate the unsteady blade loading based on the un-steady lifting surface theory for contra-rotating annular cascades was formulated and coded. Then a computation program to solve the coupled bending-torsion flutter equation for the contra-rotating annular cascades was also developed. Some results of the flutter analysis are presented. The presence of the neighboring blade row gives rise to significant change in the critical flutter condition when the main acoustic duct mode is of cut-on state.
This paper deals with the aeroelastic instability of vibrating multiple blade rows under aerodynamic coupling with each other. A model composed of three blade rows, e.g., rotor-stator-rotor, where blades of the two rotor cascades are simultaneously vibrating, is considered. The displacement of a blade vibrating under aerodynamic force is expanded in a modal series with the natural mode shape functions, and the modal amplitudes are treated as the generalized coordinates. The generalized mass matrix and the generalized stiffness matrix are formulated on the basis of the finite element concept. The generalized aerodynamic force on a vibrating blade consists of the component induced by the motion of the blade itself and those induced not only by vibrations of other blades of the same cascade but also vibrations of blades in another cascade. To evaluate the aerodynamic forces, the unsteady lifting surface theory for the model of three blade rows is applied. The so-called k method is applied to determine the critical flutter conditions. A numerical study has been conducted. The flutter boundaries are compared with those for a single blade row. It is shown that the effect of the aerodynamic blade row coupling substantially modifies the critical flutter conditions.
Flutter is a dangerous phenomenon encountered in flexible structures subjected to aerodynamic forces. This includes aircraft, buildings and bridges. Flutter occurs as a result of interactions between aerodynamic, stiffness, and inertia forces on a structure. In an aircraft, as the speed of the flow increases, there may be a point at which the structural damping is insufficient to damp out the motion which is increasing due to aerodynamic energy being added to the structure. This vibration can cause structural failure, and therefore considering flutter characteristics is an essential part of designing an aircraft. Scientists and engineers studied flutter and developed theories and mathematical tools to analyze the phenomenon. Strip theory aerodynamics, beam structural models, unsteady lifting surface methods (e.g., Doublet-Lattice) and finite element models expanded analysis capabilities. Periodic Structures have been in the focus of research for their useful characteristics and ability to attenuate vibration in frequency bands called "stop-bands". A periodic structure consists of cells which differ in material or geometry. As vibration waves travel along the structure and face the cell boundaries, some waves pass and some are reflected back, which may cause destructive interference with the succeeding waves. This may reduce the vibration level of the structure, and hence improve its dynamic performance. In this paper, for the first time, we analyze the flutter characteristics of a wing with a periodic change in its sandwich construction. The new technique preserves the external geometry of the wing structure and depends on changing the material of the sandwich core. The periodic analysis and the vibration response characteristics of the model are investigated using a finite element model for the wing. Previous studies investigating the dynamic bending response of a periodic sandwich beam in the absence of flow have shown promising results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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