Utveckling och validering av propellermodell baserat på rörelsemängdskälla för ett friströmningsfall

Propellersimulering genom Computational Fluid Dynamics (CFD) används mer och mer i ett tidigt designstadium gällande fartygs framdrift. Rolls-Royce Hydrodynamic Research Centre har lång erfarenhet av propellerdesign och analysarbete genom både modelltester och numerisk simulering, och CFD används idag för ett flertal olika tillämpningar och syften. Att utnyttja en tidseffektiv och enkel simuleringsmetod är en betydelsefull strategi och tid gentemot noggrannhet är en avvägning som designers alltid måste göra. I detta fall kommer en förenklad modelleringsprincip studeras där propellern representeras av en cylindrisk volym med samma diameter och proportioner som den faktiska propellern. Denna volym, kallad en aktuatordisk-volym implementeras med framdrivningskrafterna genom inmatning av lokala källtermer i modellen och överför på så vis rörelsemängd till fluiden. Arbetet har fokuserats på utveckling av denna simuleringsmodell och att utvärdera dess prestanda genom jämförelse mot en geometriskt mer komplex propellermodell. Syftet med detta arbete är att undersöka resultat från en förenklad propellermodell med avseende på inducerat hastighetsfält för en propeller som verkar i ett homogent inflödesfält. Analys av den inducerade hastighetsprofilen är ett viktigt steg i designprocessen för propeller-roder-konfiguration och en beräkningseffektiv metod för att uppnå detta är mycket önskvärd. Resultat från simuleringarna visar att modelleringsprincipen möjliggör enkel användning av olika propellertyper och förbättrar beräkningseffektiviteten med en tredjedel av tidsåtgången som krävs för den komplexa propellermodellen. Inducerade hastighetsprofiler visar även på relativt god överensstämmelse och modellen erbjuder användbara verktyg för att variera dess utseende. Fortsatt arbete bör övervägas för att optimera diskretiseringsmetod och på så vis även möjliggöra förbättring av lösningstiden, tillsammans med undersökning av icke-uniformt inflödesvillkor inspirerat av strömningen som skapas bakom en fartygskropp.Propeller simulation by Computational Fluid Dynamics (CFD) is more and more used in an early design stage of marine propulsion. Rolls-Royce Hydrodynamic Research Centre has long experience with propeller design and analysis through both model testing and numerical simulations, and CFD is today used in a wide range of applications and purposes. Utilizing a time efficient and simple simulation approach is a valuable strategy, and time against accuracy is a trade off a designer need to do all the time. In this case the study will concern a modelling approach where the propeller is represented by a cylindrical volume with the same diameter and proportions as an actual propeller. This volume, called an actuator disc volume zone is implemented with the propulsive forces as local source terms into the model and thereby provides momentum into the fluid. Work will be concentrated on developing this simulation model and evaluate its performance by comparison with a more complex propeller geometry model. The purpose of this work is to investigate the result from a simplified propeller model in regard to the induced velocity field for a propeller operating in a homogeneous inflow field. Analysis of the induced velocity profile is an important step in the design process of propeller-rudder configuration and a computationally efficient method in doing this is highly desirable. Results from the simulations show that the modelling approach enables simple employment of different propeller types and improves computational efficiency with a third of required time amount compared to the complex propeller model. The induced velocity profiles also demonstrate a relatively accurate behaviour and the model provide useful tools in altering their appearance. Further work need to be considered in optimizing the discretization method and thereby possibly improve solution efficiency, together with examining of a non-uniform inflow velocity condition inspired by the wake created behind a ship hull