On the use of computational fluid dynamics for the prediction of wake field in ship design

Abstract

Energy efficiency in ship design has recently become more relevant due to emission regulations and threats regarding climate change. Essential part of energy efficient ship design is minimizing of resistance, for which optimization of hull form can affect greatly. Resistance of a ship can be minimized by optimizing hull form in such manner that improves quality of the flow to the propeller. The propeller operates in wake of the ship, and for this reason, assessing wake field quality is of high importance. Traditionally, wake field has been studied by conducting towing tank tests. During past decades, results achieved by computational fluid dynamics (CFD) have become accurate enough to be used for hull form optimization. In order to make right conclusions from the results and to use this information in design effectively, the used models must have sufficient accuracy in predicting of wake field details.

This thesis studies wake field of a VLCC-tanker by the means of computational fluid dynamics. The simulations were conducted using computational fluid dynamics software Star-CCM+. The studied hull model was Korean Very Large Crude Carrier 2 (KVLCC2), a test case model that has been widely studied for instance in CFD workshops. Simulations were conducted in model scale and without a free surface. The flow was modelled using Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations and near wall flow was solved.

Two studies were conducted. First, three different versions of SST k-ω turbulence models were studied with a mesh consisting of 7.4 million cells. Then a refinement study was conducted with curvature corrected nonlinear turbulence model. The studied mesh sizes varied from 0.9 million to 7.4 million cells.

The results were compared with towing tank tests and results from previously published CFD simulations. The results were mainly in line with the ones achieved using similar turbulence models and number of cells. It was noticed that compared to standard SST k-ω, curvature corrected turbulence model predicts wake field more accurately in model scale. In addition, it was noticed that the accuracy of SST k-ω turbulence model in solving of near wall flow seems to be noticeably dependent on nondimensional height of cell layer closest to the hull. By reducing the nondimensional distance of closest calculation points from the hull (y+) below the current recommendations (y+~1), it is possible that the accuracy of SST k-ω turbulence model can be noticeably improved.

Energiatehokkuuden merkitys laivojen suunnittelussa on viime aikoina kasvanut johtuen päästörajoituksista ja ilmastonmuutokseen liittyvistä uhkakuvista. Olennainen osa aluksen energiatehokasta suunnittelua on kulkuvastuksen minimointi, johon voidaan vaikuttaa merkittävästi runkomuotoa optimoimalla. Aluksen energiatehokkuutta voidaan kasvattaa optimoimalla aluksen rungon muoto siten, että potkurille tulevan virtauksen laatua parannetaan. Potkuri operoi aluksen vanavedessä, joten vanaveden laadun arvioiminen on tärkeää. Vanavettä on perinteisesti tutkittu mallikokeilla mutta viime vuosikymmenten aikana laskennallisen virtausdynamiikan (CFD) avulla saaduista tuloksista on tullut riittävän tarkkoja runkomuodon optimointia varten. Jotta tuloksien perusteella voitaisiin tehdä oikeita johtopäätöksiä runkomuodon suunnittelua varten, tulee käytettyjen mallien kuvata vanaveden yksityiskohtia riittävän tarkasti.

Tämä diplomityö tarkastelee VLCC-tankkerin vanavettä hyödyntäen laskennallista virtausdynamiikkaa. Simulaatiot suoritettiin laskennallisen virtausdynamiikan ohjelmistolla Star-CCM+. Tutkittu runkomalli oli “Korean Very Large Crude Carrier 2” (KVLCC2), tutkimuskäyttöön tehty malli, jota on tutkittu laajasti muun muassa CFD-työpajoissa. Simuloinnit tehtiin mallimittakaavassa käsittelemättä vapaata nestepintaa. Virtausta mallinnettiin Reynolds-keskiarvoistetuilla Navier-Stokes -yhtälöillä ja virtaus ratkaistiin seinämälle asti käyttämättä seinämäfunktioita.

Työssä tehtiin kaksi tutkimusta. Ensiksi, kolmea erilaista versiota SST k-ω -turbulenssimalleista vertailtiin 7.4 miljoonan laskentatilavuuden verkolla. Lisäksi tihennyksen vaikutusta tuloksiin tutkittiin kaarevuuskorjatulla epälineaarisella turbulenssimallilla. Tutkittujen verkkojen koot olivat 0.9 miljoonasta 7.4 miljoonaan laskentatilavuutta.

Tutkimuksen tuloksia vertailtiin mallikokeista saatuihin mittaustuloksiin ja aiemmin julkaistuihin CFD-simulointien tuloksiin. Saadut tulokset olivat pääasiassa linjassa vas-taavilla turbulenssimalleilla ja hilako’oilla saatujen tulosten kanssa. Huomattiin, että kaarevuuskorjattu turbulenssimalli parantaa vanaveden ennustettavuutta mallimittakaavassa. Lisäksi huomattiin, että valitun turbulenssimallin SST k-ω:n tarkkuus ratkaistaessa seinämän lähivirtausta vaikuttaa riippuvan olennaisesti runkoa vasten olevien laskentapisteiden dimensiottomasta etäisyydestä runkoon. Pienentämällä lähimpien laskentapisteiden dimensiotonta etäisyyttä rungosta (y+) alle nykyisten suositusten (y+~1), on mahdollista, että SST k-ω -turbulenssimallin tarkkuutta voidaan parantaa merkittävästi.