[論文レビュー] Investigation on the performance of a ducted propeller in oblique flow

Qin Zhang, Rajeev K. Jaiman+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2018

Cavitation Phenomena in Pumps参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、スライディングメッシュ技術を用いたRANSおよびハイブリッドRANS/LESシミュレーションを用いて、斜め流れ下でのダクテッドプロペラの流体動的性能を調査した。その結果、斜め流入によりブレードおよびノーズルに顕著な非対称な荷重が生じ、特に吸気面に顕著に現れ、推力およびトルクの著しい変動を引き起こすことが明らかになった。一時的（非定常）シミュレーションは、DPシステム設計に不可欠な重要な非定常流れのダイナミクスを捉えている。

ABSTRACT

In this study, the ducted propeller has been numerically investigated under oblique flow, which is crucial and challenging for the design and safe operation of thruster driven vessel and dynamic positioning (DP) system. A Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) model has been first evaluated in the quasi-steady investigation on a single ducted propeller operating in open water condition, and then a hybrid RANS/LES model is adapted for the transient sliding mesh computations. A representative test geometry considered here is a marine model thruster which is discretized with structured hexahedral cells, and the gap between the blade tip and nozzle is carefully meshed to capture the flow dynamics. The computational results are assessed by a systematic grid convergence study and compared with the available experimental data. As a part of novel contribution, multiple incidence angles from $15^\circ$ to $60^\circ$ have been analyzed with varying advance coefficients. The main emphasis has been placed on the hydrodynamic loads that act on the propeller blades and nozzle as well as their variation with different configurations. The results reveal that while the nozzle absorbs much effort from the oblique flow, the imbalance between blades at different positions is still noticeable. Such unbalance flow dynamics on the blades and the nozzle has a direct implication on the variation of thrust and torque of a marine thruster.

研究の動機と目的

• 動的ポジショニング（DP）船の運用で一般的な斜め流れ下でのダクテッドプロペラの流体動的性能を分析すること。
• RANSに基づく定常状態（MRF）と一時的スライディングメッシュ（AMI）シミュレーションの、力および流れ場を予測する精度を評価すること。
• 異なる流入角および推進係数（J）による、プロペラブレードおよびノーズルにおける流体動的荷重の不均衡を定量化すること。
• 斜め流れが、特にブレードの吸気面および圧力面における圧力分布に与える影響を評価すること。
• 非定常流れのダイナミクスおよび流れ下の特徴に関する知見を提供し、より良いDP制御戦略および推進装置の設計に貢献すること。

提案手法

• まず、MRF法を用いて準定常開放水中条件でのRANSモデルの妥当性を検証した。
• 非定常流れの特徴および乱流の流れ下の発展を捉えるために、ハイブリッドRANS/LESモデルを用いた一時的スライディングメッシュシミュレーションを実施した。
• 計算ドメインには、ブレード先端とノーズルの間隙を高分解能で解像できる構造的六面体メッシュを採用した。
• 数値的精度と結果の信頼性を確保するため、体系的なメッシュ収束評価を実施した。
• 実験データとの比較を目的として、15°から60°までの複数の流入角と変化する推進係数（J）に対して、シミュレーションを実施した。
• 定常状態と非定常状態の両方のシミュレーションが非定常ダイナミクスをどれだけ正しく捉えられるかを評価するため、時間平均および瞬時の流れ場を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流入角を15°から60°に増加させることで、ダクテッドプロペラの推力およびトルクにどのような影響が生じるか？
• RQ2 斜め流入下において、ノーズルが全流体動的力のうちどの程度の割合を占めているか、またプロペラ部品との比較ではどうなるか？
• RQ3 異なるブレード位置および流入角における、ブレードおよびノーズル表面の圧力分布はどのように変化するか？
• RQ4 定常状態（MRF）と非定常状態（AMI）のシミュレーションの間で、力の予測および流れ場の特徴にどのような差が生じるか？
• RQ5 ボルテックス発生や流れ下の発展といった非定常流れの特徴が、ダクテッドプロペラの性能および荷重不均衡にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 斜め流れ下では、特に高い流入角において、圧力勾配の増大によりノーズルが流体動的荷重の顕著な割合を占める。
• ノーズルの遮蔽効果にもかかわらず、ブレード位置にわたり非対称な荷重が継続しており、特にブレードの吸気面に最大の不均衡が観察された。
• 流入角および推進係数の増加に伴い、推力およびトルクに顕著な変動が生じ、非設計状態での性能劣化が顕著に現れた。
• 非定常AMIシミュレーションは、定常状態のMRF結果に欠落していた、非定常速度フラクチュエーションおよび複雑な流れ下構造（低速度領域やボルテックス発生など）を捉えている。
• 流入角下における圧力係数（Cp）分布は、圧力面に比べて吸気面でより高い感度を示しており、局所的流れ剥離のリスクが高まっていることを示唆している。
• 時間平均AMI結果は、定常状態MRFシミュレーションに比べて実験データとより良好な一致を示しており、特に流れ下の発展および力の予測において顕著な改善が見られた。