Numerical Investigation of the Effect of Design Parameters on the Ducted Propeller Efficiency using OpenFOAM
- Alternative Title
- Numerical Investigation of the Effect of Design Parameters on the Ducted Propeller Efficiency using OpenFOAM+OpenFOAM을 이용한 덕트 프로펠러의 설계 변수 영향 수치 해석
- Abstract
- 인도네시아는 10,000 개 이상의 섬을 보유하고 있으며 매년 총 물고기 생산량이 802 만 톤에 달하는 해양 국가입니다. 그러나 해양 자원에 대한 자산을 보호하기위한 비교적 약한 지원 및 프로그램 계획. 따라서 ROV (Remotely Operated Vehicle)를 사용하면 보안 위협 문제를 해결할 수 있습니다. 수중 인도네시아의 상태를 모니터링함으로써 ROV가 제안됩니다.
ROV의 주요 문제점은 ROV의 추진기에 대한 최적의 설계입니다. 덕트 프로펠러는 ROV 문제에 대한 추력과 합리적인 추를 줄 수있는 프로펠러 설계 중 하나입니다. 성과를 향상시키는 전략을 비롯하여 개발 된 기술이 급속도로 증가함에 따라 실험적 연구는 해양 디자인에 중요하지만 가장 큰 문제는 실험을 수행하는 데 많은 비용이 든다는 것입니다. CFD 방법을 이용한 수치 시뮬레이션은 문제를 해결하기위한 해결책 중 하나 일 수 있습니다. 특히 해군 건축을위한 CFD 도구 또는 소프트웨어가 많이 있습니다.
우주선의 성능을 예측하기 위해서는 수치 시뮬레이션을 사용해야합니다. CFD 방법은 Navier-Stokes 방정식을 기반으로합니다. 엔지니어링 문제를 개선하기 위해 RANS (Reverold Averaged Navier-Stokes) 방정식을 사용하여 선박 성능에 대한 시뮬레이션을 계산합니다. 상업적인 소프트웨어가 연구를 수행하는 데 문제가되고 있습니다. 따라서 오픈 소스 소프트웨어가 문제의 해결책 중 하나입니다. OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) CFD는 CFD 접근법을 예측하는 데 사용할 수있는 솔버를 제공하며 실험 결과 및 기타 상용 소프트웨어와 비교할 수 있습니다. 실험 데이터와 비교하여 시뮬레이션을 쉽고 정확하게 수행 할 수 있습니다.
이 논문의 연구는 선박 저항 및 개방 수 프로펠러 분석에 적용된 수치 적 방법을 검증하기 위해 여러 가지 계산을 수행함으로써 시작되었습니다. 수치 시뮬레이션을 검증하고 비교하기 위해 사용한 참고 자료의 실험 데이터.
선박 저항 시뮬레이션은 OpenFOAM에서 채택 된 InterFOAM 솔버와 3 차원의 RANS 방정식을 기반으로 성능에 도달하는 비압축성을 사용하여 예측되었습니다. 유체의 체적 (VOF) 방법은 선박 저항을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다.
다른 분석을 위해, 오픈 워터 프로펠러 시뮬레이션이 수행됩니다. 이 연구는 프로펠러의 메쉬 효과를 보여줍니다. 오픈 워터 테스트를 이용한 프로펠러의 수치 시뮬레이션 분석. 수치 시뮬레이션은 프로펠러의 맞물림 전략을 비교하고 추진력과 토크에 미치는 영향을 보여줍니다. 비정형 메시는 메쉬 생성을 위해 육면체 메쉬를 사용하는 수치 시뮬레이션에 사용됩니다. 임의 메쉬 인터페이스 (AMI)와 다중 회전 프레임 (MRF)을 비교하여 최상의 메쉬 전략을 정의합니다. 메쉬 처리 전략은 3 개의 분류, 즉 거친, 중간 및 미세한 메쉬를 통해 평가됩니다. 따라서, 프로펠러는 최상의 메쉬 전략을 이용하여 수행 될 수있다. 계산 결과는 실험 결과와 비교하여 검증됩니다. 프로펠러의 KT, KQ 및 효율을 실험 결과 및 모든 메쉬 전략과 비교합니다. 따라서, 시뮬레이션은 프로펠러 수행을 수행하기 위해 메쉬의 영향을 보여줍니다.
덕트 프로펠러에 대한 매개 변수도이 연구에서 수행되었다. 유체 역학 특성 및 성능에서 덕트 프로펠러에 대한 노즐 위치, 노즐 길이 및 노즐 각도의 영향. 결과에 따라 덕트 형 프로펠러 분석 및 수치 시뮬레이션에서 노즐 매개 변수를 결정하는 데 중요한 가치가 있습니다.
이 연구에서 오픈 소스는 선박 저항과 오픈 워터 프로펠러를 시뮬레이션하는 데 사용되었습니다. 이 유형의 유한 물량 방법과 InterFoam 해석기를 사용하여 CFD 소프트웨어를 사용하면 오픈 소스 프로펠러 시뮬레이션에 SimpleFoam을 사용할 수 있습니다.이 도구는 비용 절감을위한 오픈 소스 프로그램입니다.
OpenFOAM은 선박 저항과 개방 수 프로펠러를 예측하기위한 CFD 방법과 관련된 최근 문제에 대한 반응으로 연구되었습니다. 이 논문의 전반적인 결과는 향후 해양 저항에 대한 합리적인 참고 문헌으로 활용되고 해양 사건에 대한 개방 수 프로펠러 분석에 적용되는 것이 장려된다.
Indonesia is a maritime country, which has more than 10,000 islands and total fish production continues to increase each year to reach 8.02 million tons. But relatively weak support, program planning and lack of proper budget to this sector led to the weakening of various other aspects are interlinked and caused so many problems in the management of marine and fisheries. Marine resource development still has many problems and challenges in its development. Therefore, using Remotely Operated Vehicle (ROV) can solve these problems. By monitoring the condition of Indonesian underwater, the ROV is proposed.
The main problem of ROV is the optimum design for thruster of the ROV. A Ducted propeller is one of the propeller designs that can give extra thrust and more reasonable on the ROV problem. As technology developed is growing rapidly, including the strategies to improve the performances. Experimental research is important for marine design but the most problem is a high cost to conduct the experimentation. Numerical simulation using CFD method can be one of the solutions to cover the problem. A lot of CFD tools or software can be used for engineering especially naval architecture.
The use of numerical simulation is needed for predicting the performance of the ship. CFD method is based on the Navier-Stokes equations. Improving the engineering problem, Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equation is used to compute the simulation for the ship performance. The commercial software is being the problem to conduct the research. Thus, the open source software is the one solution for the problems. By OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) provides solver which can be used to predict the CFD approach and can be compared with the experimental result.
Research in this thesis was begun by conducting several calculations to validate the numerical method applied in the ship resistance and open water propeller analyses. Experimental result from the references used to validate the numerical simulation and compared on it.
The ship resistance simulation was predicted using InterFOAM solver which is adapted from OpenFOAM and based on RANS equations with three dimensional, incompressible to reach the performance. The volume of fluid (VOF) method is used to simulate the ship resistance.
For the other analysis, the open water propeller simulation is conducted. This study presents the effect of the mesh of the propeller. The analysis in numerical simulation for the propeller employing the open water test. The numerical simulations compare the meshing strategies for the propeller and show the effect on both thrust and torque. Unstructured meshes are used in the numerical simulation employing hexahedral meshing for mesh generation. The arbitrary mesh interfacing (AMI) and multiple rotating frames (MRF) are compared to define the best meshing strategy. The meshing strategies are evaluated through three classifications, i.e., coarse, medium, and fine mesh. Thus, the propeller can be performed utilizing the best mesh strategy. The computational results are validated by comparison with the experimental result. The KT, KQ, and efficiency of the propeller are compared to an experimental result and for all the meshing strategies. Thus, the simulations show the influence of meshing in order to perform the propeller performances.
The parameter for ducted propeller were conducted also in this research. The effect of nozzle position, nozzle length, and nozzle angle to the ducted propeller in hydrodynamics characteristics and performances. Based on the results, there is an important value to determine the nozzle parameter in the ducted propeller analysis and numerical simulation.
In this research, the open source used for simulating the ship resistance and open water propeller. The CFD software with the use of Finite Volume methods and InterFoam solver for the ship resistance and used SimpleFoam for the open water propeller simulation, in this type is useful tools are open-source program to reduce the costs.
The OpenFOAM was studied as a response of recent issue related to CFD method for predicting the ship resistance and the open water propeller. Overall results of this thesis are encouraged to be applied as a reasonable reference in future ship resistance and open water propeller analyses on marine cases.
- Issued Date
- 2019
- Awarded Date
- 2019. 2
- Type
- Dissertation
- Publisher
- 부경대학교
- Alternative Author(s)
- 알디아스 바하뜨마까
- Affiliation
- 부경대학교 대학원
- Department
- 대학원 마린융합디자인협동과정
- Advisor
- 김동준
- Table Of Contents
- Contents i
List of figures iv
List of tables vii
Abstract viii
1. Introduction 1
1.1. Overview and background 1
1.2. Scope of the research 11
1.3. Outline of thesis 12
1.4. Flow chart of the research 14
2. Numerical simulation 15
2.1. Ship resistance in OpenFOAM 15
2.1.1. Governing equations for ship resistance 16
2.1.2. InterFOAM 17
2.1.3. Boundary setting in OpenFOAM for resistance 18
2.1.4. Viscosity and turbulence 20
2.1.5. Meshing and time steps for ship resistance 22
2.1.6. Execution for ship resistance in OpenFOAM 29
2.1.7. Model and analysis for ship resistance 30
2.1.8. Validation of solver with experimental result 33
2.1.9. Discussions 35
2.2. Propeller without duct simulation in OpenFOAM 35
2.2.1. Governing equations for propeller simulation 36
2.2.2. Propeller case in OpenFOAM 37
2.2.3. Boundary setting in OpenFOAM for propeller 38
2.2.4. Constant folder for propeller 40
2.2.5. Boundary conditions for propeller 42
2.2.6. Meshing and time steps for propeller 43
2.2.7. Execution for propeller in OpenFOAM 47
2.2.8. Geometry model and conditions 48
2.2.9. Turbulence model, grid domain, and boundary conditions for propeller 49
2.2.10. Moving reference frame (MRF) 50
2.2.11. Arbitrary mesh interface (AMI) 50
2.2.12. Benchmarking study for propeller 51
2.2.13. Results 54
2.2.14. Discussions 58
3. Numerical analysis on the ducted propeller 60
3.1 Validation of numerical analysis 60
3.2 Fillet surface on the propeller model 63
3.2.1 Mesh convergence study for fillet surface 64
3.2.2 Results for fillet surface effect 67
3.3 Design parameter for ducted propeller 69
3.3.1 Effect of nozzle location on the ducted propeller 69
3.3.2 Effect of nozzle length on the ducted propeller 73
3.3.3 Effect of nozzle angle on the ducted propeller 78
3.3.4 Optimum design analysis 82
4. Conclusions and future work 84
4.1 Benchmark test and analysis 84
4.2 Fundamental parameter in OpenFOAM 85
4.3 Conclusions 86
4.4 Future work 88
References 89
국문요약 94
Acknowledgements 97
Figure 1. Flow chart of the researches 14
Figure 2. Interfoam basic directory 18
Figure 3. 0.org folder case 18
Figure 4. U parameter 19
Figure 5. Constant folder 20
Figure 6. Viscosity and density parameter. 21
Figure 7. Turbulence properties 22
Figure 8. Folder system for ship resistance 23
Figure 9. Block mesh for ship resistance 24
Figure 10. SnappyHexMesh for ship resistance 26
Figure 11.TopoSetDict parameter 27
Figure 12. Control dict properties for ship resistance 28
Figure 13.Allrun file for ship resistance 29
Figure 14. KCS hull model 30
Figure 15. Domain grid and boundary condition in OpenFOAM 32
Figure 16. The comparison wave pattern for all meshes and experimental result 34
Figure 17. Comparison experimental result and CFD wave elevation on the free surface of hull 34
Figure 18. Propeller case in OpenFOAM 38
Figure 19. 0.org folder for propeller 38
Figure 20. U (inlet velocity) for propeller 39
Figure 21. Constant folder for propeller 40
Figure 22. Rotational value for propeller 41
Figure 23. Boundary setting for propeller 42
Figure 24. Folder system for propeller 43
Figure 25. Block mesh for propeller 44
Figure 26. SnappyHexMesh for propeller 45
Figure 27. Control dict for propeller 46
Figure 28. Allrun file for propeller 47
Figure 29. KCS propeller (KP505) model 48
Figure 30. Domain for MRF approach in open water test 50
Figure 31. Domain for AMI approach in open water test 50
Figure 32. Convergence history of the thrust coefficient for different grids 52
Figure 33. Convergence history of the torque coefficient for different grids 53
Figure 34. Grid meshing comparisons 54
Figure 35. Iso-surface conditions during acceleration for J=0.5 55
Figure 36. Pressure contour for J=0.5 for AMI and MRF approach 56
Figure 37. Validation of KT 57
Figure 38. Validation of KQ 57
Figure 39. Comparison results of AMI, MRF, and Experimental result for KT, KQ, and 0 58
Figure 40. The 3D model of the ducted propeller 61
Figure 41. 19A duct section 62
Figure 42. Open water diagram, numerical simulation is compared to experimental result 62
Figure 43. Model without fillet surface 63
Figure 44. Model with fillet surface 64
Figure 45.Comparison meshing strategies 66
Figure 46. Comparison of thrust for all meshes 66
Figure 47. Velocity distribution for model without fillet surface 67
Figure 48. Velocity distribution for model with fillet surface 68
Figure 49. Boundary conditions 70
Figure 50. The illustration of nozzle position 71
Figure 51. Increase of the thrust and torque 72
Figure 52. The increase in the duct length 73
Figure 53. Comparison the original model and increased of duct length 75
Figure 54. Velocity and pressure distributions of 10% increased duct length 76
Figure 55. Velocity and pressure distributions of 20% increased of duct length 77
Figure 56. The increase in the duct angle 79
Figure 57. Comparison the original model and increased of duct angle 80
Figure 58. Velocity distributions of 10 and 20 degrees increased of duct angle 81
Figure 59. Velocity and pressure distribution for optimum design in OpenFOAM 83
Table 1. Principal particulars of model scale KCS 31
Table 2. Case set up of simulation condition 31
Table 3. Comparison the result of resistance 34
Table 4. Main particulars of KP505 48
Table 5. Boundary conditions in open water test 51
Table 6. Benchmarking study 53
Table 7. Main dimensions of the ducted propeller 61
Table 8. Comparison with experimental result 62
Table 9. Meshing strategies 64
Table 10. Results of fillet surface effect 67
Table 11. Increase of thrust with moving propeller 71
Table 12. Changes of the hydrodynamic characteristic with moving propeller (LD=3%) 72
Table 13. Results of increase the duct length 74
Table 14. Results of increase the duct angle 79
Table 15. Optimum dimension 82
Table 16. Comparison result 82
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- Doctor
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