Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.33
no.4
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pp.1-14
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1996
Especially in the case of a full form ship, the stability on course can be considered to become severest among 4 items of criteria in Interim Standards for Ship Maneuverability adopted by IMO in 1993. The purpose of this study is to find some ideas for the improvement of stability on course through changes in rudder area with reference to span distance. In this paper, we established the formula on the relation between the experimental constants relevant to rudder normal force and hydrodynamic derivatives of hull-propeller-rudder system. We carried out various kinds of captive model test relevant to rudder normal force etc., and evaluated hydrodynamic derivatives of hull-propeller-rudder system, and analyzed the stability on course with the parameter of changes in rudder area. Furthermore, we also discussed effects of changes in rudder area on maneuvering performance including stability on course, based on computer simulation. As a result, it is clarified that there is a possibility that stability on course may become bad through an increase of rudder area. The reason for the bad stability on course is that the void space between the upper edge of rudder and the lower part of stern overhang decreases. This space change exerts a great influence on straightening coefficient of incoming flow to rudder in maneuvering motion, which has close relation to stability on course.
Kim, Ho-Young;Bang, Junho;Kim, Tae-Hyung;Ryu, In-Ho
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.66
no.8
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pp.1285-1290
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2017
In this paper, we developed a core module of the steering system to control and operate the outboard ship with the automatic steering system, and implemented it as a complete integrated system. In particular, this paper presents the problem of the rudder sensor used in the existing system and implements the contactless rudder sensor as an improvement. In the case of existing rudder sensors, there is a problem that safety operation and economic loss of the ship operation is caused by malfunction due to immersion during use in outboard vessels. However, the proposed rudder sensor is separated from the rotary shaft to constitute a contactless type, and a circular magnet is fixed so that the rotating value can be detected and used by the Hall sensor to completely solve the flooding problem. As a result of the characteristic test, the voltage value from 1.8V to 3.2V was obtained between $-35^{\circ}$ and $+35^{\circ}$ degrees and satisfied the reference value. The proposed rudder sensor was mounted on the outboard ship, and all the performance of controller system were checked. According to the system proposed in this paper, it satisfies the Korean Standard Specification, which defines the speed of convergence in 30 seconds by switching from left to right in 7 seconds. We also confirmed that automatic steering was performed by comparing the compass sensor with the destination in the integrated controller at the start-up.
Ship maneuverability is mainly determined according to hull-propeller-rudder system of a ship and directly related to the ship safety during the operation in the ocean. Among hull-propeller-rudder system the rudder system had direct concern with the ship maneuverability and a special rudder has been recommended to improve the ship maneuverability. In this paper the study of flapped rudder's 2-dimensional section was accomplished Model tests had been carried out with different angles of attack of a main foil and flap's deflection angles to predict the performance of the flapped rudder and the 2 frame particle tracking method had been used to obtain the velocity distribution in the flow field during model tests. $Re=1.027{\times}10^4$ had been used during the whole experiments and measured results had been compared with each other.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.23
no.2
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pp.200-207
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2017
The purpose in having a control surface on ships is to control the motion of the ship. The control surface may be composed entirely of a single movable surface or of a combination of fixed and movable portions. A control surface has one sole function to perform in meeting its purpose, and that is to develop a control force in consequence of its orientation and movement relative to the water. The forces and moments generated as a result of this rotation and angle of attack then determine the manoeuvring characteristics of the ship. In this paper, two-dimensional flow characteristics of a flapped rudder and a water-blowing control rudder were accomplished respectively by PIV method in a circulating water channel. Model test has been carried out with different angles of attack of main foil (NACA 0012) and flap's deflection angles to predict the performance of the flapped rudder and the water-blowing control rudder. The 2-frame particle tracking method has been used to obtain the velocity distribution in the flow field. $Re{\fallingdotseq}3.0{\times}10^4$ has been used during the whole experiments and measured results have been compared with each other.
An open water rudder test was carried out to figure out the flow characteristics around a twin rudder at $Re=1.5{\times}10^4$. In the analysis, the unique characteristics of a twin rudder, which affects rudder forces, were explained. The analysis includes varying angles of attack from 10 to 30 degrees. In this paper, the measured results have been compared with each other to predict the performance characteristics of a twin rudder's 2-dimensional section by 2-frame grey level cross correlation PIV method. The length L=0.75C between upper and lower rudders could be defined as the critical length.
Recently, regulations on greenhouse gas emissions have been strengthened, and the International Maritime Organization (IMO) has been strengthening greenhouse gas regulations with a goal of net 'zero' emissions by 2050. In addition, in the shipbuilding/offshore sector, it is important to reduce operating costs, such as improving propulsion efficiency and lightening structures. In this regard, research is currently being conducted on topology optimization using 3D printed composite materials to satisfy structural lightness and high rigidity. In this study, three topology shapes (hexagonal, square, and triangular) were applied to the interior of a rudder, a ship structure, using 3D printed composite materials. Structural analysis was performed to determine the appropriate shape for the rudder. CFD analysis was performed at 10° intervals from 0° to 30° for each rudder angle under the condition of 8 knots, and the load conditions were set based on the CFD analysis results. As a result of the structural analysis considering the internal topology shape of the rudder, it was confirmed that the triangular, square, and hexagonal topology shapes have excellent performance. The rudder with a square topology shape weighs 78.5% of the rudder with a triangular shape, and the square topology shape is considered to superior in terms of weight reduction.
Seo, Dae-Won;Kim, Jong-Hyun;Kim, Hyo-Chul;Lee, Seung-Hee
Journal of Ship and Ocean Technology
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v.12
no.3
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pp.36-54
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2008
A jet stream applied tangential to a curved surface in fluid increases lift force by strengthening circulation around the surface and this phenomenon is known as the Coanda effect. Many experimental and numerical studies have been performed on the Coanda effect and the results found to be useful in various fields of aerodynamics. Recently, preliminary studies on Coanda control surface are in progress to look for practical application in marine hydrodynamics since various control surfaces are used to control behaviors of ships and offshore structures. In the present study, the performance of a Coanda control surface with different geometries of the jet injection nozzle was surveyed to assess applicability to ship rudders. A numerical simulation was carried out to study flow characteristics around a section of a horn type rudder subjected to a tangential jet stream. The RANS equations, discretized by a cell-centered finite volume method were used for this computation after verification by comparing to the experimental data available. Special attentions have been given to the sensitivity of the lift performance of a Coanda rudder to the location of the slit (outlet) and intake of the gap between the horn and rudder surface at the various angles of attack. It is found that the location of the water intake is important in enhancing the lift because the gap functions as a conduit of nozzle generating a jet sheet on the rudder surface.
In the actual control systems, there exist many kinds of restrictions or nonlinearities. However, due to the nonlinearities in actuators and sensors, the designed controller may not be applicable in some practical situations. One such nonlinearity is amplitude saturation in actuators. Although sometimes it may be ignored, in other cases failure to consider actuator saturation may severely degrade closed-loop system performance and even lead to instability. On the other hand, limiting the controller gain to avoid saturation sacrifices control effort and may lead to loss of performance. Consequently, in some cases, the actuator saturation must be explicitly taken into account to ensure desired performance. However, in this paper, an anti-windup control system design method is introduced to suppress the windup due to the amplitude saturation of the actuator. The proposed control system has very simple design process and guarantees the good control performance. The validity of the proposed control system will be shown by comparing with the results of a reported paper.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.39
no.5
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pp.577-585
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2015
This paper deals with development of an autopilot system for leisure yacht based on NMEA 2000 network and android platform. The developed system can operate both for manual steering and automatic navigation mode. In automatic steering mode, after manipulation of commands which are NMEA 0183 sentences by android platform, the developed system translates and sends the packets through NMEA 2000 network. Then the controller which is connected to NMEA 2000 network receives the commands and controls the boat's rudder system automatically. The automatic steering mode is achieved by cooperation of two controllers; one for controlling the rudder system, and the other for controlling the vessel's heading. To control the vessel's rudder and heading angle two PID controllers are developed with an adjustable dead-band gain. Also, in order to eliminate the steady-state error occurred by applying dead-band, an integral controller which specifically supervises the system's behavior inside the dead-band area is developed. In this paper, at the first stage, simulations are accomplished using computer in order to examine the feasibility of the proposed based on simulation results. In the next step, the system on a real hydraulic steering model is implemented and at the end the performance examination by implementing it on a real boat and doing test navigation is executed.
High lifting devices used for control purposes have received much attention in the marine field. Hydrofoils for supporting the hull, roll stabilizer fins for developing the motion damping performance, rudders for maneuverability are the well-known devices. In the present study, the ability of the rudder with flap to produce high lift was analyzed. The boundary layer control, one of the flow control techniques, was adopted. Especially, to build the blown flap, a typical and representative type of a boundary layer control, a flapped rudder was designed and manufactured so that it could eject the water jet from the gap between the main foil and the flap to the flap surface tangentially. And it was tested in the towing tank. Simultaneously, to know the information about the 2-dimensional flow field, a fin model with similar characteristics as the rudder model applicable for the motion control was made and tested in the cavitation tunnel. In addition, local flow measurements were carried out to obtain physical information, for example, a surface pressure measurement and flow visualization around the flap. And CFD simulation was used to obtain information difficult to collect from the experiment about the 2-dimensional flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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