[論文レビュー] A Comparison of Model-Scale Experimental Measurements and Computational Predictions for a Large Transom-Stern Wave

David Drazen, Anne M. Fullerton+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Ship Hydrodynamics and Maneuverability参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、LiDARおよびQVizセンサーを用いた大規模模型実験測定値（大型トランサム・スターン波）を、NFAおよびCFDship-Iowa-V.4という2つのCFDコードによる数値予測と比較した。湿式および乾燥トランサム状態の両方で、波面高さ、抗力、スペクトル特性において良好な一致が確認され、複雑な破壊波流の現在のCFD能力が妥当であることが裏付けられた。

ABSTRACT

The flow field generated by a transom stern hull form is a complex, broad-banded, three-dimensional system marked by a large breaking wave. This unsteady multiphase turbulent flow feature is difficult to study experimentally and simulate numerically. Recent model-scale experimental measurements and numerical predictions of the wave-elevation topology behind a transom-sterned hull form, Model 5673, are compared and assessed in this paper. The mean height, surface roughness (RMS), and spectra of the breaking stern-waves were measured by Light Detection And Ranging (LiDAR) and Quantitative Visualization (QViz) sensors over a range of model speeds covering both wet- and dry-transom operating conditions. Numerical predictions for this data set from two Office of Naval Research (ONR) supported naval-design codes, Numerical Flow Analysis (NFA) and CFDship-Iowa-V.4, have been performed. Comparisons of experimental data, including LiDAR and QViz measurements, to the numerical predictions for wet-transom and dry transom conditions are presented and demonstrate the current state of the art in the simulation of ship generated breaking waves. This work is part of an ongoing collaborative effort as part of the ONR Ship Wave Breaking and Bubble Wake program, to assess, validate, and improve the capability of Computational Fluid Dynamics (CFD).

研究の動機と目的

• トランサム・スターン型船体の背後における複雑で非定常的かつ三次元的な破壊波を予測する最新のCFDシミュレーションの正確性を評価すること。
• CFD検証のベンチマークとして使用できる、大規模模型試験（モデル5673）からの高精度な実験データを提供すること。
• NFAおよびCFDship-Iowa-V.4という2つのONR支援CFDコードの、湿式および乾燥トランサム状態の変動する条件下での性能を評価すること。
• 今後のCFD改良を支援するため、RMS波面粗さおよびスペクトルパターンの乖離を同定すること。
• 海軍戦闘艦設計のためのCFDツールを検証および最適化することにより、ONR Ship Wave Breaking and Bubble Wakeプログラムを支援すること。

提案手法

• NSWCCD Carriage 2トロイングタンクで、可変ステーンドラフトを備えた特別に設計されたガラス繊維製モデル5673を用いて、模型スケール実験を実施した。
• フロイド数0.38および0.43の範囲で、平均波高、表面粗さ（RMS）、波スペクトルを測定するために、LiDARおよび定量的可視化（QViz）センサーを採用した。
• 自由表面境界条件を用いたカットセル境界処理を備えたカルテシアングリッドベースのナビエ＝ストークスソルバーであるNFAコードを用いて数値シミュレーションを実施した。
• レベルセット法、保存則形式、および自由表面流れのための動的オーバーラップグリッドを用いた、非定常URANS/DESコードであるCFDship-Iowa-V.4を適用した。
• 抗力、平均波面高さ、波面断面、FFTスペクトル、RMSプロファイルの各分野で、シミュレーション結果と実験データを比較した。
• 空気混入およびシアー層の影響を分析し、波面高さデータにおけるスペクトルピークの解釈を試みた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NFAおよびCFDship-Iowa-V.4は、湿式および乾燥トランサム状態の両方で、トランサム・スターン船体の平均波面高さおよび抗力をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 CFDシミュレーションは、実験波スペクトル、特に主要周波数およびRMS粗さをどの程度再現できるか？
• RQ3 ロースター・テイルの下流に位置する多相性シアー層が、波面高さにおけるスペクトルピークを生成する役割を果たすか？
• RQ4 なぜCFDship-Iowa-V.4では肩波が予測されるが、LiDARデータには観測されないのか？
• RQ5 特に乾燥トランサム状態において、予測されたおよび測定された発散波角度はどのように比較されるか？

主な発見

• NFAは自由滑り境界条件を用いても、抗力、自由表面高さ、空気混入の予測が実験誤差の範囲内に収まり、良好な一致を示した。
• CFDship-Iowa-V.4は、湿式トランサム状態では実験データと4.5%以内、乾燥トランサム状態では6.5%以内の予測誤差を示した。
• 湿式トランサム波の主要周波数は、ストローハル数0.075におけるカラマン型の渦剥離と一致し、実験値と0.1%以内の一致を示した。
• 乾燥トランサム状態では、発散波角度が18%低く予測されており、これがRMSおよび波面断面比較の大きな誤差を引き起こしている。
• 両方のCFDコードとも、トランサム付近に肩波を予測しているが、LiDAR測定では観測されないため、モデル化の誤差であると判明した。
• CFDship-Iowa-V.4のシミュレーションでは、トランサム領域で乱流運動エネルギーが全エネルギーの92%以上に達しており、LESの活性化に十分なグリッド分解能があることが確認された。