Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4682
Main Title: On the propeller effect when predicting hydrodynamic forces for manoeuvring using RANS simulations of captive model tests
Translated Title: Über den Propellereffekt bei der Bestimmung hydrodynamischer Kräfte beim Manövrieren (Berechnungen mittels RANS Simulation festgehaltener Modelle)
Author(s): Yao, Jianxi
Advisor(s): Cura Hochbaum, Andres
Kornev, Nikolai
Referee(s): Holbach, Gerd
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Simulation der turbulenten Strömung um ein manövrierendes Schiff stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Obwohl durch die numerische Lösung der RANS Gleichungen ein großer Fortschritt bei der Klärung vieler zentraler Fragen in diesem Bereich möglich geworden ist, müssen weitere Probleme gelöst werden, um zu aufschlussreichen Erkenntnissen zu gelangen. Eines der Probleme ist der Einfluss des Propellers auf die Umströmung des Schiffes, was bisher beim Manövrieren nicht im Detail untersucht wurde. Andererseits kann es sinnvoll sein, ein Body-Force-Modell zu nutzen, um den Einfluss des Propellers in der Simulation nachzubilden, wie in zahlreichen Publikationen berichtet wurde. Es erfordert weniger Rechenzeit und Schwierigkeiten, die bei der Generierung des Gitters für den rotierenden Propeller entstehen, werden umgangen. Die Eignung eines Body-Force-Modells zur Nachbildung der Interaktion zwischen Schiff und Propeller, sowie zwischen Propeller und Ruder während der Simulation der Strömung an einem manövrierenden Schiff ist jedoch bisher nicht gründlich untersucht worden. In der vorliegenden Arbeit wird der ursprüngliche RANS Code in OpenFOAM erweitert, um die turbulente Strömung um ein Schiff, das vorgeschriebene Bewegungen ausführt, zu simulieren. Zum ersten Mal wird der reale rotierende Propeller in solchen virtuellen gefesselten Manövrierversuchen berücksichtigt, indem ein Sliding-Grid-Verfahren verwendet wird. Der Einfluss des Propellers auf die Strömung und die hydrodynamischen Kräfte, sowie der Einfluss des Schiffsrumpfes und des Ruders auf die Propellerkräfte werden untersucht und diskutiert. Zwei Body-Force-Modelle, ein verbessertes Datenbank-Modell und ein empirisches Modell, werden darüber hinaus in den Simulationen verwendet. Die Arbeit bietet eine vergleichende Studie, um die Eignung der beiden Modelle zu untersuchen. In den Simulationen werden die freie Wasseroberfläche und damit verbundene dynamische Effekte, wie Tauchung, Trimm und Krängung, vernachlässigt. Aufgrund der kleinen Froudezahl wird angenommen, dass diese Effekte einen geringen Einfluss auf die Ergebnisse der numerischen Simulationen und die daraus resultierenden Schlussfolgerungen haben. Um die gewünschte Information für das Datenbank-Modell zu erzeugen, werden Berechnungen im Voraus für den isolierten Propeller in homogener Schräganströmung durchgeführt. Die berechneten Ergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen und analysiert. Diese Untersuchung zeigt einige aufschlussreiche Ergebnisse.
Accurate simulation of the flow around a manoeuvring ship is still a challenge today. Although the numerical method based on solving RANS equations has achieved a big success in this respect, many key issues have to be addressed or studied deeply to get more insightful knowledge. One of the issues is the propeller effect on the flow and ship hydrodynamics, which has been not analysed well in manoeuvring conditions so far. On the other hand, it is very useful to use a body force model to approximate the propeller effect in the simulations, as reported in numerous publications. This benefits from the advantages that the simplification makes the computational cost lower and avoids dealing with the complex propeller geometry when generating grid. However, the performance of the body force models used, in particular the effect of ship hull and rudder on the body force, has been not investigated in depth in the simulation of ship manoeuvring motions in existing publications. In the present work, the original RANS code in OpenFOAM is extended to simulate the flows around a ship performing forced motions of captive test. For the first time, the real ro-tating propeller is taken into account by means of a sliding grid approach in virtual captive tests. The propeller effect on the flow and hydrodynamic forces acting on the ship, and in turn the effect of ship hull and rudder on the propeller loads, are studied and discussed deeply. Two body force models including an improved database model and an empirical model are employed as well. This thesis offers a comparative study to explore the performance of both models. During the simulations, the water free surface and the related effects, i.e. sinkage, trim and heel, are neglected. Due to the low Froude number considered, this is expected to play a minor role on the achieved results and main conclusions. To use the database model, precalculations are performed in advance for the isolated propeller in uniform oblique flow to generate the information required. Computed results are compared with available experimental data and analysed. Some instructive findings are obtained.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-71230
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4979
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4682
Exam Date: 1-Sep-2015
Issue Date: 11-Sep-2015
Date Available: 11-Sep-2015
DDC Class: 623 Militär- und Schiffstechnik
Subject(s): Manövrieren
Schiff
gefesselte Versuche
Propellereffekt
schräge Strömung
Ship
manoeuvring
captive test
propeller effect
oblique flow
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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