The flow pattern of air layers and skin-friction drag reduction by air injection are investigated to find the suitable multiphase flow model using unstructured finite-volume CFD solver for the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. In the present computations, two different multiphase flow modeling approaches, such as the Volume of Fluid (VOF) and the Eulerian Multi-Phase (EMP), are adopted to investigate their performances in resolving the two-phase flow pattern and in estimating the frictional drag reduction. First of all, the formation pattern of air layers generated by air injection through a circular opening on the bottom of a flat plate are investigated. These results are then compared with those of MMkiharju's experimental results. Subsequently, the quantitative ratios of skin-friction drag reduction including the behavior of air layers, within turbulent boundary layers in large scale and at high Reynolds number conditions, are investigated under the same conditions as the model test that has been conducted in the US Navy's William B. Morgan Large Cavitation Channel (LCC). From these results, it is found that both VOF and EMP models have similar capability and accuracy in capturing the topology of ventilated air cavities so called'air pockets and branches'. However, EMP model is more favorable in predicting quantitatively the percentage of frictional drag reduction by air injection.
Boiko, Andrey V.;Kulik, Victor M.;Chun, Ho-Hwan;Lee, In-Won
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제3권4호
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pp.242-253
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2011
Skin frictional drag reduction efficiency of "stiff" compliant coating was investigated in a wind tunnel experiment. Flat plate compliant coating inserts were installed in a wind tunnel and the measurements of skin frictional drag and velocity field were carried out. The compliant coatings with varying viscoelastic properties had been prepared using different composition. In order to optimize the coating thickness, the most important design parameter, the dynamic viscoelastic properties had been determined experimentally. The aging of the materials (variation of their properties) during half a year was documented as well. A design procedure proposed by Kulik et al. (2008) was applied to get an optimal value for the coating thickness. Along with the drag measurement using the strain balance, velocity and pressure were measured for different coatings. The compliant coatings with the thickness h = 7mm achieved 4~5% drag reduction within a velocity range 30~40 m/s. The drag reduction mechanism of the attenuation of turbulence velocity fluctuations due to the compliant coating was demonstrated. It is envisioned that larger drag reduction effect is obtainable at higher flow velocities for high speed trains and subsonic aircrafts.
In this study, a series of full-scale extrapolation procedures based on the Granville's similarity scaling method, which was employed by Schultz (2007), is modified and then applied to compare the resistance performance between two different anti-fouling coatings. As an analysis example, the low frictional AF coating based on a novel skin-friction reducing polymer named FDR-SPC (Frictional Drag Reduction Self-Polishing Copolymer), which had been invented by the present author, is employed. The low frictional coating, which gives 25.4% skin frictional reduction in lab test, is estimated to give 18.2% total resistance reduction for a 176k DWT bulk carrier.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제10권4호
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pp.427-438
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2018
The reduction of $CO_2$ emissions has been a key target in the marine industry since the IMO's MEPC published its findings in 2009. Air lubrication method is one of the mature technologies for commercialization to reduce the frictional resistance and enhance fuel efficiency of ships. Air layer is formed by the coalescence of the injected air bubbles beyond a certain air flow rate. In this study, a model ship (${\lambda}=33.33$) of a 50,000 ton medium range tanker is equipped with an air lubrication system. The experiments were conducted in the 100 m long towing tank facility at the Pusan National University. By selecting optimal air injector configuration and distribution ratio between two injectors, the total resistance of model $R_{TM}$ was able to be reduced down to 18.1% in the model scale. Key issue was found to suppress the sideway leakage of injected air by appropriate injection parameters.
An experimental study has been carried out as a basic research for development of the friction drag reduction technology for ships by polymer injection. Experimental apparatus and procedures have been devised and prepared to measure the changes of the wall friction with injection of a polymer solution and basic experimental data on the friction drag reduction are obtained for a turbulent fiat-plate boundary layer and fully-developed channel flows. Variations of the friction drag reduction with some important parameters of polymer injection, such as the concentration of polymer solution, its injection flow rate and the measuring position downstream from the injection slot, are also investigated. Important experimental data and results obtained in the present study are presented. The amount of friction drag reduction up to 50% is observed.
In this study, a novel FDR-SPC is first synthesized in this study. The drag reducing functional radical such as PEGMA (Poly(ethylene) glycol methacrylate) has been utilized to participate in the synthesis process of the SPC. The types of the baseline SPC monomers, the molecular weight and the mole fraction of PEGMA were varied in the synthesis process. The resulting SPCs were coated to the substrate plates for the subsequent hydrodynamic test for skin friction measurement. In a low-Reynolds number flow measurement using PIV (Particle Image Velocimeter), a significant reduction in Reynolds stress was observed in a range of specimen, with the maximum drag reduction being 15.9% relative to the smooth surface.
An, Nam Hyun;Ryu, Sang Hoon;Chun, Ho Hwan;Lee, Inwon
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제6권1호
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pp.151-161
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2014
In this study, an experimental investigation has been made of the applicability of outer-layer vertical blades to real ship model. After first devised by Hutchins and Choi (2003), the outer-layer vertical blades demonstrated its effectiveness in reducing total drag of flat plate (Park et al., 2011) with maximum drag reduction of 9.6%. With a view to assessing the effect in the flow around a ship, the arrays of outer-layer vertical blades have been installed onto the side bottom and flat bottom of a 300k KVLCC model. A series of towing tank test has been carried out to investigate resistance (CTM) reduction efficiency and improvement of stern wake distribution with varying geometric parameters of the blades array. The installation of vertical blades led to the CTM reduction of 2.15~2.76% near the service speed. The nominal wake fraction was affected marginally by the blades array and the axial velocity distribution tended to be more uniform by the blades array.
층류 경계층 내 반구에 의해 유기되는 말굽와류를 흡입 제어했을 때 후류영역에서의 마찰저항 변화를 측정하였다. 이를 위해 회류수조에서 유동가시화를 실시하여 최적의 자유유속, 반구 크기 및 흡입제어 구멍 크기를 결정하였고, 반구 후류영역에 설치된 평판과 연결된 동력계로 표면 마찰저항 감소를 측정하는 실험을 수행하였다. 평판에 설치된 반구 전방에는 유입 유동에 의해 반구를 감싸는 말굽와류가 생성되며 그 주위 와도 방향에 의해 후류영역으로는 빠른 유속의 유동이 유입되어 머리핀 와류 생성을 촉진시킨다. 따라서 반구 전방에 생성되는 말굽와류 세기를 흡입 제어에 의해 약화시킴으로써 반구 좌우측으로 길게 형성된 유속방향 와류가 후류영역으로 공급하는 에너지는 감소하게 된다. 즉, 반구 전방의 말굽와류를 제어함으로써 후류영역으로부터 생성되는 헤어핀 와류 발생 주파수가 줄어 들게 된다. 염료 주입을 이용한 유동 가시화 영상을 해석한 결과로 머리핀 와류의 발생 빈도가 흡입제어에 의해 36.4 % 감소되었고, 후류영역에서 측정된 표면 마찰저항은 2.3 % 감소되는 것으로 나타났다.
This paper presents a new concept to reduce turbulent frictional drag by injecting micro-bubble into buffer layer of turbulent boundary layer on flat plate. The buffer layer of boundary was specified by minus velocity gradient of law of the wall. When the buffer layer region of turbulent boundary layer is filled with micro-bubble of air and viscous of the region is kept low, the velocity profile in the region should be changed substantially. Then the Reynolds stress in the buffer layer region becomes less, which guide to higher velocity gradient there. It results in reduction of velocity gradient at the viscous sublayer, which gives the reduction of shear stress at the wall.
Microbubbles moving in the turbulent boundary layer are visualized and investigated in the point of frictional drag reduction. The turbulent boundary layer is formed beneath the surface of the 2-D flat plate located in the tunnel test section. The microbubble generator produces mean bubble diameter of 30 – 50 μm. To capture the micro-bubbles passing through the tiny measurement area of 5.6 mm2 to 200 mm2, the shadowgraphy system is employed appropriately to illuminate bubbles. The velocity field of bubbles reveals that Reynolds stress is reduced in the boundary layer by microbubbles’ activity. To understand the contribution of microbubbles to the drag reduction rate more, much smaller field-of-view is required to visualize the bubble behaviors and to find the 2-D void fraction in the inner boundary layer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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