شبيه سازي عددي منحني عملكرد و دنباله دائم جريان يك پروانه دريايي با استفاده از اوپن فوم

Numerical simulation of the characteristic chart and the steady state wake flow past a marine propeller using Open FOAM

در تحقيق حاضر، شبيه سازي عددي منحني عملكرد و مدل سازي ميدان دائم دنباله جريان يك پروانه دريايي مورد مطالعه قرار گرفته است. حل با استفاده از نرم افزار متن باز اوپن فوم و حلگر دائم و تراكم ناپذير سيمپل فوم انجام شده است. گراديان ها از الگوريتم خطي گاوس محاسبه شده و معادله فشار با استفاده از روش چند شبكه اي حل شده اند. در اين پژوهش، شبيه سازي منحني عملكرد پروانه در كل بازه عملكردي انجام شده و اثر استفاده از دو مدل اغتشاشي Realizable-k-ε و k-ε-v^2-f بر نتايج بررسي شده است. نتايج بررسي ها نشان مي دهد كه استفاده از مدل دو معادله اي در تمامي حالت ها، بجز ناحيه نزديك به حالت بولارد، تطابق خوبي را با نتايج آزمايشگاهي نشان مي دهد. در اين حالت، زاويه حمله جريان ورودي به پروانه به شدت افزايش يافته و مدل دو معادله اي ضريب تراست را با 24% خطا پيش بيني مي كند، درحالي كه استفاده از مدل چهار معادله اي بهبود چشمگيري در نتايج ايجاد كرده و خطا را به 5% كاهش مي دهد. در حل عددي، دنباله جريان در مقاطع مختلف طولي و شعاعي بررسي شده است كه همخواني خوبي با نتايج تجربي موجود نشان مي دهد. بررسي جريان در ناحيه ويك نشان مي دهد كه رفتار مقطع طولي پائين دست مشابه مقطع بالادست بوده اما بازه تغييرات آن كمتر است. همچنين، بخاطر چرخشي بودن جريان پشت پروانه، مكان زاويه اي نقاط اكسترمم مولفه هاي ويك، دوران مي كند. همچنين نتايج بدست آمده نشان مي دهد كه در نزديكي ناحيه گردابه نوك پره، تغييرات مولفه سرعت محوري ويك بسيار شديد بوده و سهم مولفه هاي محوري و مماسي سرعت در خارج از اين ناحيه، ناچيز است.

In the present research, numerical simulation of the characteristic chart and steady-state Wakefield flow around a marine propeller is conducted. Solutions were performed using the open-source OpenFOAM software and the steady incompressible simple-Foam solver. The gradients were calculated using the linear Gauss algorithm, and the pressure equation was solved with the multi-grid method. In this research, characteristic chart simulation of the propeller was carried out for the entire operational conditions and the effect of using 𝑅𝑒𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑏𝑙𝑒−𝑘−𝜀 and 𝑘−𝜀−𝑣2−𝑓 turbulence models on the results was investigated. The results were found to be in good agreement in all conditions except for near the bollard region. In this region, the propeller inlet angle of attack severely increased, and the two equation model predicted the thrust coefficient with 24% error, while implementing the four equation model significantly developed the results and decreased the error to 5%. The wake region parameters were also investigated in the numerical simulations at different longitudinal and radial cross sections behind the propeller which showed good agreement compared with the available experimental data. Wake region investigation showed that the flow behavior in downstream cross sections is similar to the corresponding upstream section with smaller variation ranges and for the swirling flow behind the propeller, the maximum and minimum angular position of the wake components rotates. The obtained results also show that the wake axial velocity component deviation is extremely large at the blade tip, and the contribution of axial and tangential velocity components is negligible out of the tip vortex region.