Calculation of the hydrodynamic resistance of appendages on conventional vessels

Abstract

The present thesis deals with the numerical formulation, programming and validation of a method for solving the viscous flow problem around the appendages on conventional vessels. The proposed method is follows the overlapping blocks approach, part of the Finite Volume family of methods.The proposed method is based upon and expands the LSMH method for solving the resistance and propulsion “bare” hull problem. The LSMH method solves the Reynold’s Averaged Navier-Stokes (RANS) in conjunction with the two equations k-ε or k-ω-SST turbulence models. Introduced in this thesis is the use of Total Variation Diminishing differencing scheme with Minmod limiter function. The use of this higher-order scheme aims at increasing the accuracy of the method. The propeller action is modeled via the classical actuator disk method.The flow around the hull is modeled using structured body fitted grids, comprising orthogonal curvilinear 2-D O-type grids, generated by means of the conformal mapping technique. The method is expanded so that up to three grid blocks may be employed, aiming at increasing the accuracy of the predictions for ships with “full” lines near the bow and also to predict the effect of a “wetted” transom stern.A novel hybrid method is proposed in this thesis where the free surface id calculated by means of a potential solver and then it is corrected via a surface tracking RANS method. The correction is applied only at the aft half and the wake of the ship while boundary conditions on the free surface are specially treated, in order to avoid convergence problems. The proposed method is validated by comparing the calculated free surface for two ship designs with experimental data.A new Overlapping Grid Block method is then proposed for solving the flow problem around the appendages. The flow around each component of the ship appendages is solved using a separate grid block. The blocks overlap and information is passed-on from one block to the other through the boundary conditions of the later. A method for the parametric representation of ship appendages is presented in this thesis.The LSMH RANS solver is modified to handle the new blocks and the exchange of flow variables according to the overlapping block approach.The new software is used to solve the resistance and propulsion problem of the “Dyne” tanker, at both model and full scale and for both the “bare” hull and the case of the ship with the rudder. The rudder is modeled using a separate grid block. A grid independence test is performed, in order to determine the required grid size for the rudder block. Also a series of tests is presented, to evaluate the effectiveness of the overlapping block setup. All numerical results are compared with the available experimental data.

Η Διατριβή, αποσκοπεί στην αριθμητική διατύπωση, στην παραγωγή λογισμικού και την επικύρωση μεθόδου, για την επίλυση του προβλήματος τυρβώδους ροής γύρω από τα παρελκόμενα συμβατικών πλοίων. Η μέθοδος ακολουθεί την προσέγγιση των επικαλυπτόμενων πλεγματικών μπλοκ, τμήματος της μεθόδου Πεπερασμένων Όγκων. Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται και επεκτείνει την μέθοδο αριθμητικής επίλυσης των προβλημάτων αντίστασης και πρόωσης πλοίων χωρίς παρελκόμενα, η οποία έχει αναπτυχθεί στο ΕΝΘΥ-ΕΜΠ. Η μέθοδος του ΕΝΘΥ, επιλύει τις εξισώσεις Reynold’s Averaged Navier-Stokes (RANS) σε συνδυασμό με τα μοντέλα τύρβης δύο εξισώσεων k-ε και k-ω-SST. Στην παρούσα Διατριβή εισάγεται η χρήση Total Variation Diminishing Σχημάτων Διακριτοποίησης με τη συνάρτηση περιορισμού Minmod, με στόχο την αύξηση της ακρίβειας της μεθόδου. Η επίδραση της έλικας μοντελοποιείται μέσω της κλασσικής μεθόδου του δίσκου ορμής.Η ροή γύρω από τη γάστρα μοντελοποιείται μέσω δομημένων τριδιάστατων αριθμητικών πλεγμάτων, που αποτελούνται από διδιάστατα ορθογώνια καμπυλόγραμμα πλέγματα τύπου-Ο, που παράγονται με τη μέθοδο του σύμμορφου μετασχηματισμού. Η μέθοδος επεκτείνεται ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν έως και τρία πλεγματικά block ώστε να επιτυγχάνεται ακριβέστερη πρόλεξη της αντίστασης, για πλοία με «γεμάτες» γραμμές στην περιοχή της πλώρης, ενώ μπορεί να προβλεφθεί και η επίδραση ενός διαβρεχόμενου καθρέπτη.Μία νέα υβριδική μέθοδος παρουσιάζεται, όπου η ελεύθερη επιφάνεια προκύπτει από τη λύση του προβλήματος δυναμικού και στη συνέχεια διορθώνεται με επίλυση των εξισώσεων RANS. Οι διορθώσεις εφαρμόζονται μόνο στο πρυμναίο τμήμα του πλοίου και στον ομόρου. Ειδικός χειρισμός των συνοριακών συνθηκών απαιτείται στη ελεύθερη επιφάνεια, ώστε να αποφεύγονται προβλήματα σύγκλισης. Η προτεινόμενη μέθοδος επικυρώνεται μέσω συγκρίσεων με πειραματικές μετρήσεις.Μία νέα μέθοδος προτείνεται για την επίλυση του προβλήματος ροής γύρω από τα παρελκόμενα πλοίων. Η μέθοδος ακολουθεί την προσέγγιση των πλεγματικών block, όπου η ροή γύρω από κάθε στοιχείο των παρελκομένων, επιλύεται ξεχωριστά. Τα πλεγματικά block επικαλύπτονται και η πληροφορία μεταφέρεται από ένα block σε άλλο, μέσω των συνοριακών συνθηκών που επιβάλλονται στο τελευταίο.Στην παρούσα Διατριβή παρουσιάζεται μία μέθοδος για την παραμετρική αναπαράσταση των παρελκομένων πλοίων. Στη συνέχεια παρουσιάζεται λεπτομερώς η μέθοδος για την παραγωγή των επιμέρους πλεγμάτων μαζί με την προτεινόμενη μέθοδο για την ανταλλαγή της πληροφορίας. Ο επιλύτης των εξισώσεων RANS του ΕΝΘΥ, τροποποιείται ώστε να μπορεί να χειριστεί τα νέα πλέγματα, καθώς και την ανταλλαγή της πληροφορίας όπως περιγράφηκε παραπάνω. Η ικανότητα της νέας μεθόδου, να επιλύει τη ροή γύρω από τα επιμέρους block, επιδεικνύεται μέσα από μία σειρά αριθμητικών πειραμάτων.Το λογισμικό που προέκυψε από την παρούσα Διατριβή, χρησιμοποιείται για την επίλυση των προβλημάτων αντίστασης και πρόωσης για το δεξαμενόπλοιο “Dyne”, τόσο σε κλίμακα μοντέλου όσο και σε φυσική κλίμακα, για τις περιπτώσεις της γάστρας χωρίς παρελκόμενα καθώς και εκείνης του πλοίου με πηδάλιο. Το πηδάλιο μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας ένα ξεχωριστό πλεγματικό block. Για τον καθορισμό της αναγκαίας πλεγματικής πυκνότητας, πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας. Ακόμη, μέσω μία σειράς αριθμητικών πειραμάτων, αξιολογείται η αποδοτικότητα της διάταξης των επικαλυπτόμενων πλεγμάτων. Τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίνονται με διαθέσιμες πειραματικές μετρήσεις.