Calculation of the Hydrodynamic Resistance of Appendages on Conventional Vessels

Polyzos, Stylianos; Πολύζος, Στυλιανός

dc.contributor.author	Polyzos, Stylianos	en
dc.contributor.author	Πολύζος, Στυλιανός	el
dc.date.accessioned	2017-03-22T11:04:44Z
dc.date.available	2017-03-22T11:04:44Z
dc.date.issued	2017-03-22
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44702
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.2508
dc.rights	Default License
dc.subject	Computational Fluid Dynamics, Marine Hydrodynamics, Ship Propulsion, Ship Appendages, Overlapping Blocks	en
dc.subject	Υπολογιστική Υδροδυναμική, Ναυτική Υδροδυναμική, Πρόωση Πλοίου, Παρελκόμενα Πλοίου, Επικαλυπτόμενα Πλέγματα	el
dc.title	Calculation of the Hydrodynamic Resistance of Appendages on Conventional Vessels	en
dc.title	Υπολογισμός της υδροδυναμικής αντιστάσεως των παρελκομένων σε συμβατικά πλοία	el
dc.contributor.department	Τομέας Ναυτικής & Θαλάσσιας Υδροδυναμικής	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Υπολογιστική Υδροδυναμική	el
heal.classification	Computational Fluid Dynamics	en
heal.classification	Marine Hydrodynamics	en
heal.classification	Ναυτική Υδροδυναμική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-03-16
heal.abstract	The present thesis deals with the numerical formulation, programming and validation of a method for solving the viscous flow problem around the appendages on conventional vessels. The proposed method is based on the overlapping blocks approach, part of the Finite Volume family of methods. The proposed method is based upon and expands the LSMH method for solving the resistance and propulsion “bare” hull problem at model and full scale. The LSMH method solves the Reynold’s Averaged Navier-Stokes (RANS) in conjunction with the two equations k-ε or k-ω-SST turbulence models. Introduced in this thesis is the use of Total Variation Diminishing differencing scheme with Minmod limiter function. The use of this higher-order scheme aims at increasing the accuracy of the method. The coupled momentum and mass continuity equations are solved in a staggered grid arrangement, by means of the SIMPLE algorithm. The propeller action is modeled via the classical actuator disk method, taking into account both axial and tangential body forces. The flow around the hull is modeled using structured body fitted grids, comprising orthogonal curvilinear 2-D O-type grids, generated by means of the conformal mapping technique. The method is now expanded so that up to three grid blocks may be employed, namely a C-O-type around the bow, an H-O-type around the mid and stern of the ship and finally an H-H-type abaft the transom stern of ships. Using the new arrangement, the method can more accurately predict the resistance of ships with “full” lines near the bow and also predict the effect of a “wetted” transom stern. In the original LSMH software, the free surface is calculated either via a surface tracking RANS based method or via a surface tracking potential flow method. A novel hybrid method is proposed in this thesis. In this new method, the free surface calculated by means of the potential solver is corrected via a surface tracking RANS method. The correction is applied only at the aft half and the wake of the ship while boundary conditions on the free surface are specially treated, in order to avoid convergence problems. The proposed method is validated by comparing the calculated free surface for two ship designs with experimental data. A new method for solving the flow problem around the appendages is then proposed. The method is based on the Overlapping Grid Block approach, where the flow around each component of the ship appendages is solved using a separate grid block. The blocks overlap and information is passed-on from one block to the other through the boundary conditions of the later. A method for the parametric representation of ship appendages is presented in this thesis. Then, the method for generating the individual grid blocks is presented in detail along with the proposed method for the exchange of flow variables between blocks. The LSMH RANS solver is modified to handle the new blocks and the exchange of flow variables according to the overlapping block approach. The ability of the method to solve the flow past individual blocks is then demonstrated through a number of numerical tests for each of the individual blocks. The new software, the result of the research carried out in this thesis, is used to solve the resistance and propulsion problem for the “Dyne” tanker. Calculations are performed at both model and full scale and for both the “bare” hull and the case of the ship with the rudder. The model scale calculations include symmetric and asymmetric flow calculations, as well as calculations with wall functions and near wall treatment instead. The rudder of the “Dyne” tanker is modeled using a separate grid block. A grid independence test is performed, in order to determine the required grid size for the rudder block. Also a series of tests is presented, to evaluate the effectiveness of the overlapping block setup. Finally resistance and propulsion calculations are performed for the ship with the rudder, at model and full scale. All numerical results are compared with the available experimental data.	en
heal.abstract	Η παρούσα Διατριβή, αποσκοπεί στην αριθμητική διατύπωση, στην παραγωγή λογισμικού και την επικύρωση μεθόδου, για την επίλυση του προβλήματος τυρβώδους ροής γύρω από τα παρελκόμενα συμβατικών πλοίων. Η προτεινόμενη μέθοδος, βασίζεται στην προσέγγιση των επικαλυπτόμενων πλεγματικών μπλοκ, τμήματος της μεθόδου Πεπερασμένων Όγκων. Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται και επεκτείνει την μέθοδο αριθμητικής επίλυσης των προβλημάτων αντίστασης και πρόωσης πλοίων χωρίς παρελκόμενα, σε κλίμακα μοντέλου και σε φυσική κλίμακα, η οποία έχει αναπτυχθεί στο ΕΝΘΥ-ΕΜΠ. Η μέθοδος του ΕΝΘΥ, επιλύει τις εξισώσεις Reynold’s Averaged Navier-Stokes (RANS) σε συνδυασμό με τα μοντέλα τύρβης δύο εξισώσεων k-ε και k-ω-SST. Στην παρούσα Διατριβή εισάγεται η χρήση Total Variation Diminishing Σχημάτων Διακριτοποίησης με τη συνάρτηση περιορισμού Minmod, με στόχο την αύξηση της ακρίβειας της μεθόδου. Οι συζευγμένες εξισώσεις διατήρησης μάζας και ορμής επιλύονται με τη μέθοδο SIMPLE, σε μία διάταξη μετατοπισμένου πλέγματος. Η επίδραση της έλικας μοντελοποιείται μέσω της κλασσικής μεθόδου του δίσκου ορμής, λαμβάνοντας υπόψη τόσο αξονικές όσο και εφαπτομενικές σωματιδιακές δυνάμεις. Η ροή γύρω από τη γάστρα μοντελοποιείται μέσω δομημένων τριδιάστατων αριθμητικών πλεγμάτων, που αποτελούνται από διδιάστατα ορθογώνια καμπυλόγραμμα πλέγματα τύπου-Ο, που παράγονται με τη μέθοδο του σύμμορφου μετασχηματισμού. Η μέθοδος επεκτείνεται ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν έως και τρία πλεγματικά block. Συγκεκριμένα, ένα πλέγμα τύπου-C-O γύρω από την πλώρη, ένα πλέγμα τύπου-H-O γύρω από το μέσο και την πρύμνη του πλοίου και τέλος ένα πλέγμα τύπου-H-H στον ομόρου, πίσω από πρύμνη τύπου καθρέπτη. Με τη νέα διάταξη επιτυγχάνεται ακριβέστερη πρόλεξη της αντίστασης, για πλοία με «γεμάτες» γραμμές στην περιοχή της πλώρης, ενώ μπορεί να προβλεφθεί και η επίδραση ενός διαβρεχόμενου καθρέπτη. Στη μέθοδο του ΕΝΘΥ, η ελεύθερη επιφάνεια υπολογίζεται μέσω μίας μεθόδου παρακολούθησης (surface tracking), η οποία επιλύει είτε τις εξισώσεις RANS, είτε το πρόβλημα δυναμικού για αστρόβιλη και μη-συνεκτική ροή. Μία νέα υβριδική μέθοδος παρουσιάζεται στην παρούσα Διατριβή όπου η επιφάνεια που προκύπτει από τη λύση του προβλήματος δυναμικού, διορθώνεται με επίλυση των εξισώσεων RANS. Οι διορθώσεις εφαρμόζονται μόνο στο πρυμναίο τμήμα του πλοίου και στον ομόρου. Ειδικός χειρισμός των συνοριακών συνθηκών απαιτείται στη ελεύθερη επιφάνεια, ώστε να αποφεύγονται προβλήματα σύγκλισης. Η προτεινόμενη μέθοδος επικυρώνεται μέσω συγκρίσεων με πειραματικές μετρήσεις. Μία νέα μέθοδος προτείνεται για την επίλυση του προβλήματος ροής γύρω από τα παρελκόμενα πλοίων. Η μέθοδος ακολουθεί την προσέγγιση των πλεγματικών block, όπου η ροή γύρω από κάθε στοιχείο των παρελκομένων, επιλύεται ξεχωριστά. Τα πλεγματικά block επικαλύπτονται και η πληροφορία μεταφέρεται από ένα block σε άλλο, μέσω των συνοριακών συνθηκών που επιβάλλονται στο τελευταίο. Στην παρούσα Διατριβή παρουσιάζεται μία μέθοδος για την παραμετρική αναπαράσταση των παρελκομένων πλοίων. Στη συνέχεια παρουσιάζεται λεπτομερώς η μέθοδος για την παραγωγή των επιμέρους πλεγμάτων μαζί με την προτεινόμενη μέθοδο για την ανταλλαγή της πληροφορίας. Ο επιλύτης των εξισώσεων RANS του ΕΝΘΥ, τροποποιείται ώστε να μπορεί να χειριστεί τα νέα πλέγματα, καθώς και την ανταλλαγή της πληροφορίας όπως περιγράφηκε παραπάνω. Η ικανότητα της νέας μεθόδου, να επιλύει τη ροή γύρω από τα επιμέρους block, επιδεικνύεται μέσα από μία σειρά αριθμητικών πειραμάτων. Το λογισμικό που προέκυψε από την παρούσα Διατριβή, χρησιμοποιείται για την επίλυση των προβλημάτων αντίστασης και πρόωσης για το δεξαμενόπλοιο “Dyne”. Πραγματοποιούνται υπολογισμοί τόσο σε κλίμακα μοντέλου όσο και σε φυσική κλίμακα, για τις περιπτώσεις της γάστρας χωρίς παρελκόμενα καθώς και εκείνης του πλοίου με πηδάλιο. Οι υπολογισμοί σε κλίμακα μοντέλου αφορούν τόσο συμμετρική, όσο και μη-συμμετρική ροή. Ακόμη σε κλίμακα μοντέλου ελέγχεται η χρήση συναρτήσεων τοίχου καθώς και η απευθείας επίλυση των RANS εξισώσεων κοντά στο στερεό σύνορο. Το πηδάλιο του δεξαμενόπλοιου “Dyne”, μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας ένα ξεχωριστό πλεγματικό block. Για τον καθορισμό της αναγκαίας πλεγματικής πυκνότητας, πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας. Ακόμη, μέσω μία σειράς αριθμητικών πειραμάτων, αξιολογείται η αποδοτικότητα της διάταξης των επικαλυπτόμενων πλεγμάτων. Τέλος επιλύονται αριθμητικά τα προβλήματα αντίστασης και πρόωσης, σε κλίμακα μοντέλου και σε φυσική κλίμακα, για το δεξαμενόπλοιο “Dyne” με πηδάλιο. Τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίνονται με διαθέσιμες πειραματικές μετρήσεις.	el
heal.sponsor	The present Thesis was supported by the Lloyd’s Register Educational Trust, under a PhD Scholarship Scheme. The Lloyd’s Register Educational Trust is an independent charity working to achieve advances in transportation, science, engineering and technology education, training and research worldwide for the benefit of all.	en
heal.sponsor	Η παρούσα Διατριβή έχαιρε της υποστήριξης του Lloyd’s Register Educational Trust, μέσω του προγράμματος υποτροφιών για Διδακτορικής Διατριβές. Το Lloyd’s Register Educational Trust είναι μία ανεξάρτητη φιλανθρωπική οργάνωση, που αποσκοπεί στην πρόοδο στους τομείς των μεταφορών, της επιστήμης, της μηχανολογικής και τεχνολογικής εκπαίδευσης και έρευνας, παγκοσμίως και για το καλό όλων.	el
heal.advisorName	Tzabiras, George	en
heal.advisorName	Τζαμπίρας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Tzabiras, George	en
heal.committeeMemberName	Belibasakis, Konstantinos	en
heal.committeeMemberName	Politis, Gerasimos	el
heal.committeeMemberName	Triantafyllou, George	en
heal.committeeMemberName	Dimas, Athanassios	en
heal.committeeMemberName	Grigoropoulos, Gregory	en
heal.committeeMemberName	Voutsinas, Spyridon	el
heal.committeeMemberName	Τζαμπίρας, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Βουτσινάς, Σπυρίδων	el
heal.committeeMemberName	Γρηγορόπουλος, Γρηγόριος	el
heal.committeeMemberName	Δήμας, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Μπελιμπασάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Πολίτης, Γεράσιμος	el
heal.committeeMemberName	Τριανταφύλλου, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	254
heal.fullTextAvailability	true