[논문 리뷰] Investigation on the performance of a ducted propeller in oblique flow

Qin Zhang, Rajeev K. Jaiman외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 10.

Cavitation Phenomena in Pumps참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 슬라이딩 메쉬 기법을 사용한 RANS 및 하이브리드 RANS/LES 시뮬레이션을 통해 기울인 유동 하에서 델타형 프로펠러의 유체역학적 성능을 조사한다. 기울인 유입은 블레이드와 노즐에 심한 비균형 하중을 유도하며, 특히 흡입면에서 두드러지게 나타나며 이로 인해 추진력과 토크의 현저한 변동을 초래한다. 임시 시뮬레이션은 DP 시스템 설계에 필수적인 비정상적인 유동 역학을 포착한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 동적 위치 유지(DP) 선박 운용에서 흔한 기울인 유동 조건에서 델타형 프로펠러의 유체역학적 성능을 분석하기 위해.
• 정상 상태(MRF) 기반 RANS 및 임시 슬라이딩 메쉬(AMI) 시뮬레이션의 힘과 유동장 예측 정확도를 평가하기 위해.
• 다양한 유입 각도와 진행 계수에 따라 프로펠러 블레이드와 노즐에서의 유체역학적 하중 불균형을 정량화하기 위해.
• 기울인 유동이 블레이드의 흡입면과 압력면에 특히 미치는 압력 분포 영향을 평가하기 위해.
• 개선된 DP 제어 전략과 추진기 설계를 위한 비정상적인 유동 역학과 유동 뒷부분 특성에 대한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 초기에는 MRF 방법을 사용하여 준정상 상태의 개방수면 조건에서 RANS 모델을 검증하였다.
• 비정상적인 유동 특성과 난류 유동 뒷부분 발달을 포착하기 위해 하이브리드 RANS/LES 모델을 사용한 임시 슬라이딩 메쉬 시뮬레이션을 실시하였다.
• 복잡한 유동 물리 현상을 해석하기 위해 블레이드 끝과 노즐 간격 근처에서 해상도를 높인 구조적 육면체 메쉬를 사용한 계산 도메인을 설정하였다.
• 수치 정확도와 결과 신뢰성을 확보하기 위해 체계적인 메쉬 수렴 연구를 수행하였다.
• 실험 데이터와의 비교를 위해 15°에서 60°까지 다양한 유입 각도와 변화하는 진행 계수(J)에서 시뮬레이션을 수행하였다.
• 정상 상태와 임시 시뮬레이션의 비정상적 동역학을 포착하는 능력을 평가하기 위해 시간 평균 및 순순한 유동장 분석을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유입 각도를 15°에서 60°로 증가시킬 경우, 기울인 유동 하에서 델타형 프로펠러의 추진력과 토크에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기울인 유입 하에서 노즐이 총 유체역학적 하중의 어느 정도 기여하는가? 이는 프로펠러 구성요소와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 다른 블레이드 위치와 유입 각도에서 블레이드 및 노즐 표면의 압력 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 정상 상태(MRF)와 임시(AMI) 시뮬레이션 간의 힘 예측 및 유동장 특성에 어떤 차이가 있는가?
• RQ5 비정상적인 유동 특성, 예를 들어 소용돌이 방출과 유동 뒷부분 발달이 델타형 프로펠러의 성능과 하중 불균형에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기울인 유동 하에서 노즐은 증가한 압력 기울기로 인해 특히 높은 유입 각도에서 유체역학적 하중의 훨씬 더 큰 비율을 흡수한다.
• 노즐의 보호 효과에도 불구하고 블레이드 위치 간 비균형 하중이 지속되며, 특히 블레이드의 흡입면에서 가장 큰 불균형이 관찰된다.
• 유입 각도와 진행 계수 증가에 따라 추진력과 토크가 크게 변동하여 비설계 조건에서의 성능 저하가 뚜렷하게 나타난다.
• 임시 AMI 시뮬레이션은 정상 상태 MRF 결과에서 볼 수 없었던 비정상적인 속도 변동과 복잡한 유동 뒷부분 구조(저속도 영역 및 소용돌이 방출 포함)를 포착한다.
• 기울인 유동 하에서 압력 계수(Cp) 분포는 압력면 대비 흡입면에서 더 민감하게 나타나며, 국소적 난류 분리 위험을 시사한다.
• 시간 평균 AMI 결과는 정상 상태 MRF 시뮬레이션보다 실험 데이터와 더 잘 일치하며, 특히 유동 뒷부분 발달과 힘 예측에서 뛰어난 일치도를 보인다.