International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제10권1호
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pp.69-84
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2018
In order to analyze the characteristics of propeller exciting force, the hybrid grid is adopted and the numerical prediction of KCS ship model is performed for hull-propeller-rudder system by Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) method and volume of fluid (VOF) model. Firstly, the numerical simulation of hydrodynamics for bare hull at oblique state is carried out. The results show that with the increasing of the drift angle, the coefficients of resistance, side force and yaw moment are constantly increasing, and the bigger the drift angle, the worse the overall uniformity of propeller disk. Then, propeller bearing force for hull-propeller-rudder system in oblique flow is calculated. It is found that the propeller thrust and torque fluctuation coefficient peak in drift angle are greater than that in straight line navigation, and the negative drift angle is greater than the positive. The fluctuation peak variation law of coefficient of side force and bending moment are different due to various causes.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제3권4호
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pp.352-359
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2010
In recent years, the market has shown increasing interest in pump-turbines. The prompt availability of pumped storage plants and the benefits to the power system achieved by peak lopping, providing reserve capacity, and rapid response in frequency control are providing a growing advantage. In this context, there is a need to develop pumpturbines that can reliably withstand dynamic operation modes, fast changes of discharge rate by adjusting the variable diffuser vanes, as well as fast changes from pumping to turbine operation. In the first part of the present study, various flow patterns linked to operation of a pump-turbine system are discussed. In this context, pump and turbine modes are presented separately and different load cases are shown in each operating mode. In order to create modern, competitive pump-turbine designs, this study further explains what design challenges should be considered in defining the geometry of a pump-turbine impeller. The second part of the paper describes an innovative, staggered approach to impeller development, applied to a low head pump-turbine project. The first level of the process consists of optimization strategies based on evolutionary algorithms together with 3D in-viscid flow analysis. In the next stage, the hydraulic behavior of both pump mode and turbine mode is evaluated by solving the full 3D Navier-Stokes equations in combination with a robust turbulence model. Finally, the progress in hydraulic design is demonstrated by model test results that show a significant improvement in hydraulic performance compared to an existing reference design.
In this study, numerical simulations were performed to evaluate the current loads acting on the multi-legged underwater robot "Crabster" with a variety of incident angles using the ANSYS-CFX package. The Reynolds-averaged Navier-Stokes equations were solved to simulate the fluid flow around Crabster to calculate the forces and moments induced by incoming currents with various angles. First, to assess the posture stability of the body, the forces and moments were calculated with various incident angles when the current acted in the vertical and horizontal directions. Next, two forms of legs (box and foil types) were evaluated to determine the hydrodynamic force variation. Finally, the current forces and moments acting on the Crabster body with the legs attached were estimated.
Flow through a scaled horizontal axis marine current turbine was numerically simulated after validation and the turbine design was optimized. The computational fluid dynamics (CFD) code Ansys-CFX 16.1 for numerical modeling, an in-house blade element momentum (BEM) code for analytical modeling and an in-house surrogate-based optimization (SBO) code were used to find an optimal turbine design. The blade-pitch angle (${\theta}$) and the number of rotor blades (NR) were taken as design variables. A single objective optimization approach was utilized in the present work. The defined objective function was the turbine's power coefficient ($C_P$). A $3{\times}3$ full-factorial sampling technique was used to define the sample space. This sampling technique gave different turbine designs, which were further evaluated for the objective function by solving the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS). Finally, the SBO technique with search algorithm produced an optimal design. It is found that the optimal design has improved the objective function by 26.5%. This article presents the solution approach, analysis of the turbine flow field and the predictability of various surrogate based techniques.
Ship's hydrodynamic coefficients in manoeuvring equations are generally derived by captive model tests or numerical calculations. Empirical formulas have been also proposed in some previous researches, which were useful for practical predictions of hydrodynamic coefficients of a ship by using main dimensions only. In this study, ship's hydrodynamic coefficients based on empirical formulas were optimized by using its free running test data. Eight manoeuvring performance indices including steady turning radius, reach in zig-zag as well as well-known IMO criteria indices are selected in order to compare simulation results with free runs effectively. Sensitivities of hydrodynamic coefficients on manoeuvring performance indices are analyzed. And hydrodynamic coefficients are tuned within fixed bounds in order of sensitivity so that they are tuned as little as possible. Linear and nonlinear coefficients are successively tuned by using zig-zag and turning performance indices. Trajectories and velocity components by simulations with tuned hydrodynamic coefficients are in good agreements with free running tests. Tuned coefficients are also compared with coefficients by captive model tests or RANS calculations in other previous researches, and the magnitudes and signs of tunes are discussed.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제12권1호
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pp.918-927
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2020
Flows induced by hybrid CRP pod propulsion systems (CRP-POD) are fundamentally characterized by unsteadiness. This work presents a numerical study on the unsteady flow of a CRP-POD at behind-hull condition based on CFD (Computational Fluid Dynamics). Unsteady RANS method is adopted, coupled with SST k-u turbulence model and sliding mesh method. The propeller thrusts and torques obtained by CFD is validated by model tests and acceptable agreements are obtained. The time histories of shingle-blade loads and pressures near the hull surface are recorded for the analysis of unsteady flow features. The cases of forward propeller alone and aft propeller alone are also computed to distinguish the hull-propeller interaction and propeller-propeller interaction. The results show the blade loads of both forward and aft propellers strongly fluctuate with phase angles. For the forward propeller, the blade load fluctuation is mainly governed by the hull-propeller interaction, while the aft blade load is remarkably affected by the propeller-propeller interaction in terms of the load average and fluctuation pattern. The fields of pressure, vorticity and velocity are also analyzed to reveal the unsteady flow features.
Roll moment usually is ignored when analyzing the maneuverability of surface ships. However, it is well known that the influence of roll moment on maneuverability is significant for ships with small metacentric height such as container ships, passenger ships, etc. In this study, a pure roll test is performed to determine the hydrodynamic derivatives with respect to roll motion as added mass and damping. The target ship is an autonomous surface ship designed to carry containers with a small drift and large freeboard. The commercial code of STAR CCM+ software is applied as a specialized tool in naval hydrodynamic based on RANS equation for simulating the pure roll of the ship. The numerical uncertainty analysis is conducted to verify the numerical accuracy. By distinguishing the in-phase and out-of-phase from hydrodynamic forces and moments due to roll motion, added mass derivatives and damping derivatives relative to roll angular velocity are obtained.
An electrostatic precipitator (ESP) is an industrial post processing facility for high efficiency dust mitigation. Uniformity of the flow passing through the inlet duct leading into the main chamber is important for efficient reduction of dust. To examine flow uniformity, this study conducted a numerical analysis of the flow within a scale-down ESP inlet duct. Magnetic resonance velocimetry (MRV) results from a prior study were utilized to validate the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) numerical simulations. Both the experimental and computational results displayed a similar recirculation zone shape and normalized velocity profile near the duct outlet for the baseline geometry. To optimize the uniformity of the flow, the number of guide vanes was modified, and the guide vanes were partially extended straight upward. Design evaluation is done based on the outlet velocity distribution and mass flowrate balance between the two outlets. Simulation results indicate that the vane extension is critical for flow optimization in curved ESP ducts.
Flight vehicles such as wheel wells and bomb bays have many cavities. The flow around a cavity is characterized as an unsteady flow because of the formation and dissipation of vortices brought by the interaction between the free stream shear layer and the internal flow of the cavity. The resonance phenomena can damage the structures around the cavity and negatively affect the aerodynamic performance and stability of the vehicle. In this study, a numerical analysis was performed for the cavity flows using the unsteady compressible three-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equation with Wilcox's turbulence model. The Message Passing Interface (MPI) parallelized code was used for the calculations by PC-cluster. The cavity has aspect ratios (L/D) of 5.5 ~ 7.5 with width ratios (W/D) of 2 ~ 4. The Mach and Reynolds numbers are 0.4 ~ 0.6 and $1.6{\times}10^6$, respectively. The occurrence of oscillation is observed in the "shear layer and transient mode" with a feedback mechanism. Based on the Sound Pressure Level (SPL) analysis of the pressure variation at the cavity trailing edge, the dominant frequencies are analyzed and compared with the results of Rossiter's formula. The dominant frequencies are very similar to the result of Rossiter's formula and other experimental datum in the low aspect ratio cavity (L/D = ~4.5). In the high aspect ratio cavity, however, there are other low dominant frequencies of the leading edge shear layer with the dominant frequencies of the feedback mechanism.
The comparison of two commercial codes(FLUENT and STAR-CCM+) and an open-source code(OpenFOAM) are carried out for the aerodynamic analysis of flight vehicles at low speeds. Tailless blended-wing-body UCAV, main wing and propeller of HALE UAV(EAV-3) are chosen as geometries for the investigation. Using the same mesh, incompressible flow simulations are carried out and the results from three different codes are compared. In the linear region, the maximum difference of lift and drag coefficients of UCAV are found to be less than 2% and 5 counts, respectively and shows good agreement with wind tunnel test data. In a stall region, however, the reliability of RANS simulation is found to become poor and the uncertainty according to code also increases. The effect of turbulence models and meshes generated from different tools are also examined. The transition model yields better results in terms of drag which are much closer to the test data. The pitching moment is confirmed to be sensitive to the existence and the location of transition. For the case of EAV-3 wing, the difference of results with ${\kappa}-{\omega}$ SST model is increased when Reynolds number becomes low. The results for the propeller show good agreement within 1% difference of thrust. The reliability and uncertainty of three codes is found to be reasonable for the purpose of engineering use. However, the physical validity and reliability of results seem to be carefully examined when ${\kappa}-{\omega}$ SST model is used for aerodynamic simulation at low speeds or low Reynolds number conditions.
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