Marine propeller optimization using open-source CFD

Papakonstantinou, Theofanis; Παπακωνσταντίνου, Θεοφάνης

dc.contributor.author	Papakonstantinou, Theofanis	en
dc.contributor.author	Παπακωνσταντίνου, Θεοφάνης	el
dc.date.accessioned	2019-07-19T09:38:27Z
dc.date.available	2019-07-19T09:38:27Z
dc.date.issued	2019-07-19
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49097
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16830
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Propeller design	en
dc.subject	Parametric Modelling	en
dc.subject	OpenFOAM	en
dc.subject	Optimization	en
dc.subject	CAESES	en
dc.title	Marine propeller optimization using open-source CFD	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Marine hydrodynamics	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-08
heal.abstract	Due to the continuous increase in computing power, Reynolds-averaged Navier Stokes CFD simulations have become an integral part of propeller design. Moreover, advances in computer technology led to the development of modern CAD/CAE systems like CAESES that allow for parametric design and shape optimization by tightly coupling CAD to CFD. The goal of this project is to investigate and validate open-source CFD tools that can be used to evaluate the open water characteristics of a propeller and can automated in order to support an optimization process. Then, develop a computationally cheap methodology inside CAESES that will eventually be used to optimize a propeller with the limited computational resources available. The efforts are focused on the difficulties of the automation the grid generation process, that still remains a bottleneck in optimization studies with CFD. The search leads to the selection of OpenFOAM to simulate the flow and cfMesh to generate the computational grid. The steady state Moving Reference Frame approximation is used to model the rotation and the flow is solved for one of the blades, using periodic boundaries. The turbulence is modelled with the k-ω SST turbulence model. The method used is validated using the Potsdam Propeller Test Case (PPTC) by comparing simulation results to experimental data. A parametric model for the PPTC is created, CFD automation is achieved and the propeller is optimized, by modifying the radial distributions that define the blade shape. The optimization is performed using the Sobol sequence and the Tangent Search Method that are available in CAESES. Finally, basic geometrical operations that are essential for the connection of a 3D propeller model to the CFD setup are scripted and automated inside CAESES, minimizing the manual effort needed to get a fast and rough calculation of any imported propeller blade. The scripts developed are validated with two powerboat propellers, by comparing the acquired CFD results to Vortex Lattice results.	en
heal.abstract	Λόγω της συνεχώς αυξανόμενης υπολογιστικής ισχύος, οι Reynolds-averaged Navier Stokes CFD προσομοιώσεις έχουν γίνει αναπόσπαστο κομμάτι της σχεδίασης ελίκων. Επιπλέον, οι εξελίξεις στην τεχνολογία υπολογιστών οδήγησαν στην ανάπτυξη μοντέρνων συστημάτων CAD/CAE όπως το CAESES που παρέχει δυνατότητες παραμετρικής σχεδίασης και βελτιστοποίησης, η οποία επιτυγχάνεται με την σύζευξη CAD με CFD. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η αναζήτηση και επαλήθευση ελεύθερου λογισμικού που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών έλικας σε ελεύθερη ροή αλλά και να αυτοματοποιηθεί για να υποστηρίξει μια διεργασία βελτιστοποίησης. Έπειτα, να αναπτυχθεί μια υπολογιστικά φθηνή μεθοδολογία μέσα στο CAESES που τελικά θα χρησιμοποιηθεί για την βελτιστοποίηση μιας έλικας, λαμβάνοντας υπόψιν την περιορισμένη υπολογιστική ισχύ που διατίθεται. Οι προσπάθειες εστιάζονται στις δυσκολίες της αυτοματοποίησης της γένεσης του υπολογιστικού πλέγματος, διεργασία που παραμένει εμπόδιο στις μελέτες βελτιστοποίησης με CFD. Η αναζήτηση οδηγεί στην επιλογή του λογισμικού OpenFOAM για την προσομοίωση της ροής και του εργαλείου cfMesh για την γένεση του υπολογιστικού πλέγματος. Η μέθοδος μόνιμης ροής Moving Reference Frame χρησιμοποιείται για να μοντελοποιήσει την περιστροφή και η ροή λύνεται για ένα από τα πτερύγια χρησιμοποιώντας περιοδικά σύνορα. Η τύρβη μοντελοποιείται με το μοντέλο τύρβης k-ω SST. Για την επαλήθευση της μεθόδου χρησιμοπoιείται η έλικα του Potsdam (PPTC) συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων με πειραματικά δεδομένα. Έπειτα αναπτύσσεται παραμετρικό μοντέλο για την έλικα αυτή, η αυτοματοποίηση των CFD εργαλείων επιτυγχάνεται και η έλικα βελτιστοποιείται, μεταβάλλοντας τις ακτινικές κατανομές που ορίζουν το σχήμα του πτερυγίου. Η βελτιστοποίηση γίνεται χρησιμοποιώντας την ακολουθία Sobol και την μέθοδο Tangent Search που παρέχονται στο περιβάλλον CAESES. Τελικά, βασικές γεωμετρικές διεργασίες που απαιτούνται για την σύνδεση ενός τρισδιάστατου μοντέλου έλικας με τον επιλύτη μέσω του CAESES προγραμματίζονται και αυτοματοποιούνται, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η χειροκίνητη προσπάθεια που απαιτείται για τον άμεσο υπολογισμό των χαρακτηριστικών ελεύθερης ροής οποιασδήποτε έλικας. Οι αλγόριθμοι που αναπτύσσονται εφαρμόζονται και επαληθεύονται σε δύο έλικες ταχύπλοων, συγκρίνοντας τα CFD αποτελέσματα με Vortex Lattice αποτελέσματα που διατίθενται για τις έλικες αυτές.	el
heal.sponsor	Erasmus +, HYKOPS Research Project	en
heal.advisorName	Grigoropoulos, Grigoris	en
heal.committeeMemberName	Papadakis, Giorgos	en
heal.committeeMemberName	Politis, Gerasimos	el
heal.committeeMemberName	Grigoropoulos, Grigoris	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	125 σ.
heal.fullTextAvailability	true