Evaluation of the Scale Effect on the Flow around a Ship Hull Using CFD

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Author
Date
2005
Department
Konetekniikan osasto
Major/Subject
Laivanrakennusoppi
Mcode
Kul-24
Degree programme
Language
en
Pages
71
Series
Abstract
The purpose of this work is to study the scale effect on ship hull flows using the Reynolds-averaged Navier-Stokes solver FINFLO-SHIP. The understanding of the scale effect is important, as the hydrodynamic characteristics of a new ship are usually predicted by performing simulations at model scale. In this study, the combination of the chosen hull form and the features used in the modelling of the flow situation enables the presentation of new information in comparison to the other published papers of the same subject. This thesis begins with a theoretical discussion on the scale effect. The dimensionless equations describing the viscous flow in general are presented. The approximations in the numerical method, that possibly affect the evaluation of the scale affect, are discussed. The assumptions in the ITIC-57 method, related to the scale effect, are also paid attention to, as the lTTC-57 method is needed for the validation of the computation at full scale. Thereafter, the structure and contents of the flow solver FINFLO-SHIP are presented. Finally, the computational cases are described and the results analysed. To study the scale effect, the flow field around a typical container vessel is computed at model and full scale. The Froude number is 0.238. The Reynolds numbers are 1.0 x 10<sup>7</sup> and 1.2 x 10<sup>9</sup> at model and ship scale, respectively. The flow in the boundary layer is resolved using y+-values of about one. The turbulence is treated with Menter's k - w SST model. At ship scale, the free stream turbulence quantities are validated by computing the flow past a flat plate at the respective Reynolds number. A moving-grid technique is applied to predict the shape of the free surface. The influence of the grid on the results is observed by repeating the computations with three different grid densities. The results are validated by comparing them to model test results. The results demonstrate that the Reynolds number has an important influence on ship-hull flows. The frictional resistance coefficient of a smooth hull seems to follow the ITTC 1957 model-ship correlation line. The pressure resistance coefficient is significantly smaller at ship scale than at model scale. As a consequence of the different pressure resistance, the wave heights are higher at the stern at ship scale than at model scale. In the wake, the boundary layer becomes thinner at the higher Reynolds number. The study of the streamlines shows that the separation of the flow from the hull is delayed at ship scale.

Työn tarkoituksena on tutkia mittakaavavaikutusta laivavirtauksiin virtausratkaisija FINFLO-SHIP:lla suoritettavien simulointien avulla. Aihe on tärkeä, koska uudisrakennuslaivojen hydrodynaamisia ominaisuuksia ennustetaan tavallisesti mallimittakaavassa tapahtuvien simulointien avulla. Esimerkkitapauksena käytettävän laivan rungon muodon ja virtauksen mallinnukseen liittyvien menetelmien yhteisvaikutus antavat mahdollisuuden esittää uutta tietoa aiheesta aikaisemmin julkaistuihin tutkimuksiin verrattuna. Työn alussa mittakaavavaikutusta tarkastellaan teoreettisesta näkökulmasta kitkallista virtausta kuvaavien dimensiottomien virtausyhtälöiden avulla. Virtausratkaisijan sisältämiä approksimaatioita, jotka voivat vaikuttaa mittakaavavaikutuksen arvioimiseen pohditaan. Myös validoinnin yhteydessä käytettävän ITTC-57 menetelmän sisältämiä oletuksia mittakaavavaikutuksesta arvioidaan teoreettisesta näkökulmasta. Virtausratkaisija FINFLO-SHIP:n rakenne ja työn sisältämissä laskennoissa käytettävät menetelmät esitellään. Lopuksi kuvataan laskentatapaukset ja analysoidaan tuloksia. Reynoldsin luvun vaikutusta laivan runkovirtauksiin tutkitaan laskemalla virtauskenttä konttilaivan ympärillä malli- ja laivamittakaavan Reynoldsin luvulla. Frouden luku tutkittavassa virtaustilanteessa on 0.238. Laivan Reynoldsin luku on 1.2 x 10<sup>9</sup> ja mallin 1.0 x 10<sup>7</sup>. Virtaus rajakerroksessa mallinnetaan seinämälle asti käyttäen y+:n arvoa noin yksi. Turbulenttisuus mallinnetaan Menterin k - w SST mallilla. Vapaan virtauksen turbulenssiarvojen suuruus validoidaan tasolevyvirtauksen avulla. Vapaa nestepinta ratkaistaan liikkuvaa hilaa käyttäen. Hilan vaikutus tuloksiin selvitetään eri hilatiheyksillä toistettavien laskentojen avulla. Tulokset validoidaan mallikoetulosten ja hilan laadun tarkastelun perusteella. Tulokset osoittavat, että Reynoldsin luvulla on huomattava vaikutus laivan runkovirtauksiin. Sileän rungon kitkavastuskerroin noudattaa ITTC-57 menetelmän antamaa arviota. Painevastuskerroin on huomattavasti pienempi laivamittakaavassa kuin mallimittakaavassa. Aallon korkeus on suurempi laivan perässä laivamittakaavassa kuin mallimittakaavassa painevastuksen erilaisuudesta johtuen. Vanavedessä suurempi Reynoldsin luku näkyy ohuempana rajakerroksen paksuutena. Virtaviivojen irtoaminen rungolta tapahtuu aikaisemmin malli-kuin laivamittakaavassa.
Description
Supervisor
Matusiak, Jerzy
Thesis advisor
Schweighofer, Juha
Keywords
Other note
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120451271
Collections
[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK