توسعه روش تركيبي المان مرزي و حل عددي معادلات متوسط‌ گيري شده ناوير- استوكس به‌ منظور تحليل هيدروديناميكي سيستم رانش پاددار

A BEM/RANS Coupled Method for Numerical Simulations of Podded Drive System

سيستم‌هاي رانش پاددار يكي از آخرين نوآوري‌ها در زمينه سيستم‌هاي رانش دريايي مي‌باشند. تحليل هيدروديناميكي اين سيستم پيچيده‌تر از سيستم‌هاي رانش معمولي پروانه و سكان است. روش‌هاي عددي مختلفي در تحليل هيدروديناميكي سيستم رانش پاددار استفاده گرديده‌است. محدوده اين روش‌ها شامل روش‌هاي پتانسيل كامل تا روش‌هاي كاملاً ويسكوز مي‌باشد. رويكرد ما در اين مقاله استفاده از روش‌هاي تركيبي است. هدف اصلي اين تحقيق توسعه يك روش عددي تركيبي بر مبناي روش‌هاي پتانسيل و ويسكوز به‌منظور تحليل هيدروديناميكي سيستم‌هاي رانش پاددار است. در اين روش‌ تركيبي پيشنهادي پتانسيل و ويسكوز، جريان حول اجزاي چرخشي (پروانه) بوسيله يك كد پتانسيل توسعه داده شده به روش المان مرزي شبيه سازي شده است. سپس از يك حل‌گر ويسكوز بر مبناي حل عددي معادلات متوسط‌گيري شده ناوير- استوكس براي تحليل جريان حول اجزاي غير چرخشي (پاد و استرات) استفاده مي‌شود. در اين بخش اثر پروانه به‌وسيله يك توزيع پراكنده نيرو معادل بيان مي‌گردد كه به صورت نيروهاي حجمي به سمت راست معادله مومنتوم اضافه مي‌گردد. در اين حالت دو سيكل انتقال براي كوپل نتايج بين دو حل‌گر پتانسيل و ويسكوز وجود دارد. در مرحله نخست دقت اين روش تركيبي با تحليل هيدروديناميكي يك پروانه به‌تنهايي مورد بررسي و معتبرسازي گرديد. در ادامه كل سيستم رانش پاددار در جريان مستقيم با استفاده از روش پيشنهادي مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته‌است. نتايج حاصله شامل ضرايب تراست و گشتاور پروانه و نيروي كل سيستم رانش مي‌باشد. در ادامه نتايج بدست آمده با نتايج تجربي مقايسه شده است و دقت اين روش تركيبي مورد ارزيابي قرار گرفته است.

Podded drive systems are one the recent innovation in marine propulsion systems. Hydrodynamic analysis of this system is more complicated than conventional propeller-rudder systems. The different numerical methods have been used in the hydrodynamic analysis of podded drive systems. The range of these methods is from the potential method or potential/viscous approach to pure viscous methods. In this paper, we applied coupled approach in this regard. The main purpose of this research is developing a BEM/RANS coupled method for numerical simulation of podded drives. In the proposed Potential/Viscous coupled method, the flow around rotating part (propeller) is simulated by a BEM code. Then fixed parts (pod and strut) are modelled by a RANS solver. In RANS solver, the propeller can be substituted by a set of equivalent forces which called body force and added in the right hand of momentum equation. Two cycles are available for coupling the result between potential and viscous method. The coupled method is first studied and validated with a single propeller. Afterward, the propulsive performance of the podded drive systems is studied. The results include the propeller thrust coefficient, the propeller torque coefficient, and the axial force coefficient. The results obtained by coupled method are compared to and verified by the experimental data.