Numerical simulation of propeller open water characteristics
using CFD

Καλαντζής, Κωνσταντίνος-Νεκτάριος

dc.contributor.author	Καλαντζής, Κωνσταντίνος-Νεκτάριος	el
dc.date.accessioned	2020-11-18T10:10:39Z
dc.date.available	2020-11-18T10:10:39Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51941
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19639
dc.rights	Default License
dc.subject	CFD	en
dc.subject	Numerical simulation	en
dc.subject	Αριθμητική προσομοίωση	el
dc.subject	Έλικα	el
dc.subject	MaPFlow	en
dc.subject	Artificial compressibilty	en
dc.subject	ANSA	en
dc.subject	Μη δομημένα πλέγματα	el
dc.subject	Propeller	en
dc.subject	Υπολογιστική ρευστομηχανική	el
dc.title	Numerical simulation of propeller open water characteristics using CFD	en
dc.title	Αριθμητική προσομοίωση ελίκων με χρήση μεθόδων υπολογιστικής ρευστομηχανικής	el
dc.contributor.department	Τομέας Ναυτικής και Θαλλάσιας Υδροδυναμικής	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Computational Fluid Dynamics	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-13
heal.abstract	Computational Fluid Dynamics (CFD) have become a viable tool for hydrodynamic analysis of ship propellers. Nowadays, Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANSE) is a workable approach to analyze e ectively the performance of ship propellers on a large range of operating conditions. The open water test for the propeller, traditionally performed to obtain the characteristics used in design, is often simulated with CFD methods. Also advances in computer technology led to the development of grid generators like ANSA, that is used in the present work. When it comes to the CFD code, in the present work MaPFlow solver is used, which was developed by the Naval and Marine Hydrodynamics Laboratory. In chapter 1 the governing equations that describe the uid are presented. So, the mass conservation equation and the momentum equation are written. Because the water temperature is assumed to be xed the energy equation is not included. Next, in chapter 2 the turbulence model is described. In this study the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations are used to describe the turbulence and the k􀀀��! SST model is chosen as an rst order closure model. Moreover, in chapter 3 the solver MaPFlow that solves the RANS equations using the Finite Volume method is described. The CFD code uses the Rotating Frame of reference with absolute velocity formulation and as the uid considered incompressible, which means that the density stays constant, uses the arti cial compressibility method in order to solve the pressure-momentum coupling problem. So, because the system is non-linear the problem is solved iteratively. So pseudo-time is introduced, and we assume the connection between pressure and density, which in reality doesn't exist. Last but not least, the problem ~x = A􀀀��1~b is solved iteratively. In the present work, the goal is to validate the propeller open water characteristics in wetted (non-cavitating) conditions with the CFD code and to examine the in uence of transition. Because as we can see in the bibliography there is a laminar turbulent transition between laminar and turbulent ow. Two di erent types of propellers are chosen in order to validate the open water characteristics. First, in chapter 5 an conventional propeller the PPTC and second in chapter 6 an unconventional propeller the PPTC II were selected. Both propellers and their data were provided by SVA Potsdam and the experiments were conducted in SVA's towing tank. It should be mentioned that in CFD, grids are used. Grids consisting of points that form cells that include the control surface. In every cell the Navier- Stokes equations are solved, therefore the mesh should have suitable re nement to capture the exact ow behavior. Because of the computation cost the mesh cannot be re ned too much. So, the construction of the mesh is crucial for the convergence of the results. Because the geometry of the propeller is complex in this thesis the mesh generation process was taken seriously and is analysed at chapter 5 and 6 for the PPTC and PPTC II, respectively. It should be mentioned that the grid generator ANSA from BETA CAE SYSTEMS was used. In addition, for the visualization of the ow eld the open-source post-processor Paraview was used. In chapter 7, the in uence of the transition that was discussed before is simulated using the 􀀀�� Re model based on relative work by an undergraduate student and colleague, in the laboratory of Naval and Marine Hydrodynamics, A. Magoulas. Finally in each and every case the results are presented in tables and are compared with the results that are provided from the experiment. Also, in every case an open water diagram is presented. In the end of this study, the results are discussed and considerations are provided for future work.	en
heal.abstract	H Υπολογιστική Ρευστομηχανική έχει εξελιχθεί σε σημαντικό εργαλείο για την ανάλυση της υδροδυναμικής συμπεριφοράς των ελίκων. Στη σημερινή εποχή, οι εξισώσεις Navier-Stokes είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την αποτελεσματική ανάλυση της συμπεριφοράς των ελίκων των πλοίων σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Το πείραμα ελεύθερης ροής για τις έλικες, που παραδοσιακά πραγματοποιείται για να καταγραφούν τα χαραχτηριστικά τους, συχνά προσομοιώνεται με τις μεθόδους της Υπολογιστικής Ρευστομηχανική. Ακόμα οι εξελίξεις στην τεχνολογία οδήγησαν στην ανάπτυξη λογισμικών προεπεξεργασίας όπως τo ANSA, το οποίο χρησιμοποιείται στην παρούσα διπλωματική. Όσον αφορά τον υπολογιστικό κώδικα, στην παρούσα εργασία ο επιλυτής MaPFlow χρησιμοποιείται, ο οποίος αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής. Στο κεφάλαιο 1 οι εξισώσεις που διέπουν το ρευστό παρουσιάζονται. Οπότε καταγράφονται οί εξισώσεις διατήρησης μάζας και ορμής. Επειδή έγινε η υπόθεση ότι η θερμοκρασία του νερού ειναι σταθερή η εξίσωση ενέργειας δεν λαμβάνεται υπόψην. Ύστερα στο κεφάλαιο 2 το μοντέλο τύρβης παρουσιάζεται. Σε αυτή την εργασία οι εξισώσεις Reynolds Averaged Navier-Stokes χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της τυρβώδους ροής και το μοντέλο k-ω SST για την δημιουργία κλειστού συστήματος εξισώσεων (closure problem). Επιπλέον, στο κεφάλαιο 3 ο επιλυτής MaPFlow που λύνει τις παραπάνω εξισώσεις χρησιμοποιώντας την μέθοδο των πεπερασμένων όγκων περιγράφεται. Ο κώδικας χρησιμοποιεί το περιστρεφόμενο σύστημα αναφοράς (διατύπωση ως προς την απόλυτη ταχύτητα) και καθώς το ρευστό θεωρείται ασυμπίεστο που σημαίνει η τιμή της πυκνότητας είναι σταθερή χρησιμοποιεί την μέθοδο της τεχνητής συμπιεστότητας για να επιλύσει το πρόβλημα σύνδεσης της πίεσης με την ταχύτητα. Έτσι επειδή το σύστημα δεν είναι γραμμικό μέσα απο μια επαναληπτική διαδικασία υπολογίζεται διαδοχικά η ταχύτητα και η πίεση. Οπότε εισάγεται ο ψευδοχρόνος και κάπως έτσι επιτυγχάνεται η σύνδεση μεταξύ πίεσης και ταχύτητας, η οποία στην πραγματικότητα δεν υπάρχει. Τέλος, το πρόβλημα λύνεται επαναληπτικά. Στην παρούσα εργασία ο στόχος είναι η αξιολόγηση των χαρακτηριστικών σε ελεύθερη ροή της έλικας που επιλύονται με τον κώδικα του εργαστηρίου και η εξέταση της επιρροής του μεταβατικού στρώματος. Επειδή, όπως βλέπουμε και στην βιβλιογραφία υπάρχει μεταβατικό στρωμα ανάμεσα στην στρωτή και την τυρβώδης ροή. Δύο διαφορετικοί τύποι έλικας επιλέγονται να χρησιμοποιηθούν ώστε να εξακριβωθούν τα αποτελέσματα. Αρχικά, στο κεφάλαιο 5 μια συμβατική έλικα η PPTC και δεύτερον στο κεφάλαιο 6 μια αντισυμβατική έλικα η PPTC II επιλέγονται. Και οι δύο έλικες και τα αντίστοιχα δεδομένα τους παρέχονται από την SVA Potsdam και τα αντίστοιχα πειράματα πραγματοποιούνται σε δεξαμενή της SVA. Αξίζει να ειπωθεί, ότι στα CFD γίνεται χρήση πλεγμάτων. Τα πλέγματα αποτελούνται από σημεία ελέγχου τα οποία σχηματίζουν κελιά που περικλείουν όλη την επιφάνεια ελέγχου. Σε κάθε κελί λύνονται οι εξισώσεις Navier-Stokes, οπότε το πλέγμα θα πρέπει να είναι καταλλήλως πυκνό για να υπολογιστεί η ακριβής συμπεριφορά του ρευστού. Εξαιτίας του υπολογιστικού κόστους δεν μπορεί να πυκνώθεί πάρα πολύ το πλέγμα. Οπότε, η κατασκευή του πλέγματος είναι κομβικής σημασίας για την σύγκλιση των αποτελεσμάτων. Επειδή, η γεωμετρία της έλικας είναι πολύπλοκη, σε αυτή την εργασία δώθηκε ιδιαίτερη σημασία στην κατασκευή του πλέγματος και αυτή η διαδικασία αναλύεται στα κεφάλαια 5 και 6 για την PPTC και την PPTC II αντιστοίχως. Αξίζει να σημειωθεί ότι χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ANSA της BETA CAE SYSTEMS για την κατασκευή του πλέγματος. Επίσης, για την οπτικοποίηση της ροής χρησιμοποιείται το λογισμικό Paraview. Στο κεφάλαιο 8, η επίδραση του μετάβατικού στρώματος που συζητήθηκε προηγουμένως προσομοιώνεται με τη χρήση του μοντέλου γ-Reθ όπου βασίζεται σε σχετική εργασία του συναδέλφου Α. Μαγουλά και πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής. Τέλος, σε κάθε περίπτωση τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε πίνακα και συγκρίνονται με τα πειραματικά. Επίσης, σε κάθε περίπτωση φτιάχνετε το διάγραμμα ελεύθερης ροής. Στο τέλος της εργασίας, τα αποτελέσματα αξιολογούνται και παρέχονται ερεθίσματα για μελλοντική εργασία.	el
heal.advisorName	Παπαδάκης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Γρηγορόπουλος, Γρηγόρης	el
heal.committeeMemberName	Μπελιμπασάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	78 p.	en
heal.fullTextAvailability	false