Current trends in propeller design have led to the need for extremely complex blade shapes, which place great demands on the accuracy of design and analysis methods. This paper presents a new proposal for improving the prediction of propeller performance with a vortex lattice method using the lifting surface theory. The paper presents a review of the theory and a description of the numerical methods employed. For 8 different propellers, the open water characteristics are calculated and compared with experimental data. The results are in good agreement in the region of a high advanced velocity, but there are differences in the other case. We have corrected the parameters for the trailing wake modeling in this paper, and repeated the calculation. The new calculation results are more in agreement with the experimental data.
This paper provides the numerical results of a simulation of the flow around a propeller working beneath the free surface. A finite volume method is used to solve the unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes (URANS) equations, where the wave-making problem is solved using a volume-of-fluid (VOF) method. The numerical analysis focuses on the propeller wake structure affected by the free surface, where we consider another free surface boundary condition that treats the free surface as a rigid wall surface. The propeller wake under the effect of these two free surface conditions shows a reduction in the magnitude of the longitudinal and vertical flow velocities, and its vortical structures strongly interact with the free surface. The thrust and torque coefficient under the free surface effect decrease about 3.7% and 3.1%, respectively. Finally, the present numerical results show a reasonable agreement with the available experimental data.
Beigi, Shokrallah M.;Shateri, Alireza;Manshadi, Mojtaba D.
Ocean Systems Engineering
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v.10
no.3
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pp.289-316
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2020
In the present paper, the effect of the location of stern planes on the flow entering the submarine propeller is studied numerically. These planes are mounted on three longitudinal positions on the submarine stern. The results are presented considering the flow field characteristics such as non-dimensional pressure coefficient, effective drag and lift forces on the stern plane, and the wake flow formed at the rear of the submarine where the propeller is located. In the present study, the submarine is studied at fully immersed condition without considering the free surface effects. The numerical results are verified with the experimental data. It is concluded that as the number of planes installed at the end of the stern section along the submarine model increases, the average velocity, width of the wake flow and its turbulence intensity formed at the end of the submarine enhance. This leads to a reduction in the non-uniformity of the inlet flow to the propulsion system.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.44
no.4
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pp.408-416
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2007
This paper summarizes an experimental study on the marine propeller BPF noise. The main objective of this study is to show the worthiness of the noise measurement at the MOERI middle size cavitation tunnel and to acquire useful propeller noise data. Background noise of MOERI(Maritime and Ocean Engineering Research Institute) cavitation tunnel is experimentally analyzed. Experiment carried out in the MOERI cavitation tunnel with wake screen or dummy body, which is simulated the wake. Propeller BPF noise is measured under various operating conditions. In order to secure the reliance of measured propeller noise dada, background noise of each operating conditions are measured and analyzed. The noise characteristics are analyzed according to the operating condition.
In this paper, wake equalizing duct (WED) form optimization was carried out using computational fluid dynamics (CFD) techniques. A WED is a ring-shaped flow vane with a foil-type cross-section fitted to a hull in front of the upper propeller area. The main advantage of a WED is the power savings resulting from the uniformity of the velocity distribution on the propeller plane, a reduction in the flow separation at the aft-body, and lift generation with a forward force component on the foil section. This paper intends to evaluate these functions and find an optimized WED form for minimizing the viscous resistance and equalizing the wake distribution. In the optimization process, the study uses four WED parameters: the angle of the section, longitudinal location, and angles of the axes for the half rings against the longitudinal and transverse planes of the ship. KRISO 300K VLCC2 (KVLCC2) is chosen as an example ship to demonstrate the WED optimization. The optimization procedure uses genetic algorithms (GAs), a gradient-based optimizer for the refinement of the solution, and Non-dominated Sorting GA-II(NSGA-II) for Multiobjective Optimization. The results show that the optimized WED can reduce the viscous resistance at the expense of the uniformity of the wake distribution.
With the sharp increase of the oil price, the issue of the energy saving requires even higher propulsive efficiency of the propellers. Traditionally the propellers have been designed with the criteria such as that of Lerbs optimum based on the lifting line theory and the empirical formulae of Lerbs and van Manen giving relations of the wake pitch with the wake non-uniformity. With the aid of the high speed computer, it is now possible to apply the time-consuming iterative approaches for the solution of the lifting surface problems. In this paper we formulate the variational problem to optimize the efficiency of the propeller operating in the given ship wake using the lifting surface method. The variational formulation relating the spanwise circulation distribution with the propulsive efficiency to be maximized is however non-linear in circulation distribution functions, thus the iterative method is applied to the quasi-linearized equations. The blade shape design also requires the iterative procedures, because the shape of the blade which is represented by the lifting surface is unknown a priori. The numerical code was validated with the DTNSRDC propeller 4119 which is well-known to be optimum in uniform inflow condition. In addition existing (well-designed) commercial propellers were selected and compared with the results of the open water tests and the self-propulsion tests.
Park, Hui-Seung;Yoon, Hyun-Sik;Kim, Moon-Chan;Chun, Ho-Hwan
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.48
no.2
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pp.141-146
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2011
This study numerically carried out the propeller open water test(POW) by solving Navier-Stokes equations governing the three-dimensional unsteady incompressible viscous flow with the turbulence closure model of the ${\kappa}-{\omega}$ SST model. Numerical simulations are performed at various range of advance ratios. Corresponding to Reynolds numbers of $5.89{\times}105{\sim}6.47{\times}105$ based on free stream velocity and the chord length at 0.7 propeller radius. The present results give a good agreement with those of the experiment. The propeller induced vortical structures have been analyzed by visualizing the resultant vorticity. As the advance ratio increases, the magnitude and length of the resultant vorticity decrease significantly. As the main focus of present study, the numerical model to present the ($r-{\theta}$) plane-averaged resultant vorticity along the streamwise direction for various advance ratios has been suggested.
Kim, Je-In;Park, Il-Ryong;Kim, Ki-Sup;Ahn, Jong-Woo
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.54
no.3
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pp.215-226
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2017
This paper presents numerical results of the performance of a marin propeller in cavitating and non-cavitating flow conditions. The geometry and experimental validation data of the propeller are provided in Potsdam Propeller Test Case(PPTC) in the framework of the second International Symposium on Marine Propulsors 2011(SMP'11) workshop. The PPTC includes open water tests, velocity field measurements and cavitation tests. The present numerical analysis was carried out by using the Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS) method on a wall-resolved grid ensuring a y+=1, where the SST k-${\omega}$ model was mainly used for turbulence closure. The influence of the turbulence model was investigated in the prediction of the wake field under a non-cavitating flow condition. The propeller tip vortex flows in both cavitating and non-cavitating conditions were captured through adaptation of additional grids. For the cavitation flows at three operation points, Schnerr-Sauer's cavitation model was used with a Volume-Of Fluid(VOF) approach to capture the two-phase flows. The present numerical results for the propeller wake and cavitation predictions including the open water performance showed a qualitatively reasonable agreement with the model test results.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.50
no.3
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pp.145-152
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2013
Recently, with oil price jumping and environmental issues, Green ship is paid deep attention to by ship owner, operator, builder, class and government. Fuel efficiency and reduction of $CO_2$ emissions are expected to have a strong influence on the design and operation of merchant ships. Many ship owners and operators are seeking the more economic method by the best operating route and the application of reliable and effective energy saving devices. With the Energy Efficiency Design Index (EEDI) in 2013 attention will more than ever be focused at achieving maximum fuel economy in the hydrodynamic design of hull forms, their appendages and propellers. IMO requirements for $CO_2$ emission for ships will now be implemented for vessels ordered from 1st January 2013. So far, a lot of new idea and patents have been proposed, tested, claimed and applied for various kinds of ship type. This paper shows numerical and experimental work related to a study on a energy saving devices particularly for fuller ship such as merchant vessel of Tanker and Bulker. From the bare hull wake measurements, typical upper/lower asymmetry of hull wake at the propeller disk was found. The pre-swirl duct have been designed and reviewed to recover the loss of propeller running in that condition. The general function of the pre-swirl duct was set to work against this asymmetry of wake and generate pre-swirled flow into the propeller against the propeller rotating direction.
The accurate prediction of the flow and the pressure distribution near the tip of the blade is crucial in determining the tip vortex cavitation inception which usually occurs on the blade tip or inside the core of the tip vortex just downstream of the blade tip. An improved boundary element method is applied to the prediction of the flow around propeller blades, with emphasis at the tip region. In the method, the Blow adapted grid and a higher order panel method, which combines a hyperboloidal panel geometry with a hi-quadratic dipole distribution, are used in order to accurately model the trailing wake geometry and the highly rolled-up regions in the wake. The method is applied to several propeller geometries and the results have been found to agree well to the existing experimental data. Inviscid flow methods are able to predict the pressures at the tip as well as the shape of the trailing wake. On the other hand, they are unable to determine the flow inside the viscous core of the tip vortex, where cavitation inception often occurs. Thus, a method is presented that treats the flow inside the viscous core. The inner flow is treated with a 2-D Clavier-stokes solution without making any assumptions for axisymmetric flow and conicity of the flow along the tip trajectory. The method can thus allow the treatment of general propeller blade configurations. The velocity and pressure distributions inside the core are shown and compared to those from other numerical methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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