Demonstrating the Magnus effect using CFD simulations of a rotating cylinder

Thumbnail Image

Files

master_Wetterstrand_Joona_2025.pdf (5.25 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-12-31

Department

Major/Subject

Mechanical Engineering

Mcode

Degree programme

Master's programme in Mechanical Engineering

Language

en

Pages

52

Series

Abstract

The Magnus effect is a fundamental fluid flow phenomenon where a rotating body experiences a lift force perpendicular to the flow direction. It has been studied extensively due to its practical applications. The Magnus effect has real-world applications in, for example, Flettner rotors that offer a newly iterated solution for offering maritime propulsion by wind power. This thesis investigates the Magnus effect using computational fluid dynamics (CFD) simulations, with a focus on the laminar flow regime around a rotating cylinder. Open-source CFD software OpenFOAM is used to study the flow at relatively low Reynolds numbers. A two-dimensional computational domain is created, and a suitable structured mesh is generated. A mesh sensitivity study and a comparison and analysis between certain discretization schemes are done to verify the CFD model. The results are validated by comparing key metrics with data from literature for non-rotating cylinders (alpha=0) at Reynolds numbers Re=100 and Re=20. Robust numerical methods, including the finite volume method and second-order discretization schemes, ensure the accuracy and stability of the simulations. To understand the Magnus effect, a series of simulations are run at a Reynolds number of 20 with varying spin ratios to analyze the influence of rotational speed on the aerodynamic performance of the cylinder. Spin ratios alpha = 0.5 - 5 are used to capture and represent the Magnus effect. An increase in the spin ratio demonstrates a significant increase in the lift coefficient Cl and a decrease in the drag coefficient Cd. An interesting and unexpected phenomenon occurs at the spin ratio of alpha = 5, where the flow dynamics generate a forward thrust, resulting in a negative drag coefficient. Visual analysis of the flow field using streamlines and pressure contours reveal the flow asymmetry developing around the cylinder as the spin ratio increases. The present study highlights the evolution of pressure distribution and the Magnus effect. Key results and conclusions are discussed offering insight into the underlying mechanics of the Magnus effect, and possible areas of future work.

Magnus-efekti on perustavanlaatuinen nesteen virtausilmiö, jossa pyörivä kappale kokee nostovoiman, joka on kohtisuorassa virtaussuuntaan nähden. Tätä ilmiötä on tutkittu laajasti sen käytännön sovellusten vuoksi. Magnus-efektillä on käytännön sovelluksia esimerkiksi Flettner-roottoreissa, jotka tarjoavat uudenlaisen ratkaisun merenkulun propulsioon hyödyntämällä tuulivoimaa. Tämä opinnäytetyö tutkii Magnus-efektiä käyttäen laskennallisen virtausdynamiikan (CFD) simulaatioita, keskittyen laminaarisen virtauksen tutkimiseen pyörivän sylinterin ympärillä. Tutkimuksessa käytetään avointa CFD-ohjelmistoa OpenFOAM:ia virtauksen analysointiin suhteellisen alhaisilla Reynoldsin luvuilla. Malli luodaan määrittämällä kaksiulotteinen laskenta-alue ja muodostamalla sopiva strukturoitu laskentaverkko. CFD-mallin varmistamiseksi suoritetaan herkkyystutkimus laskentaverkon suhteen sekä vertailu ja analyysi tiettyjen diskretointimenetelmien välillä. Tulokset validoidaan vertaamalla keskeisiä mittareita kirjallisuudessa esitettyihin tietoihin ei-pyörivien sylinterien (alpha=0) tapauksessa Reynoldsin luvuilla Re=100 ja Re=20. Tarkkuuden ja vakauden varmistamiseksi käytetään vankkoja numeerisia menetelmiä, kuten äärellisten tilavuuksien menetelmää ja toisen kertaluvun diskretointimenetelmiä. Magnus-efektin ymmärtämiseksi suoritetaan sarja simulaatioita Reynoldsin luvulla 20, vaihdellen pyörimisnopeuden suhdetta (spin ratio) sylinterin aerodynaamisen suorituskyvyn analysoimiseksi. Pyörimisnopeuden suhteita alpha = 0.5 - 5 käytetään Magnus-ilmiön kuvaamiseen ja analysointiin. Pyörimisnopeuden suhteen kasvu osoittaa merkittävää nostovoimakertoimen Cl kasvua ja vastuskertoimen Cd laskua. Mielenkiintoinen ja odottamaton ilmiö tapahtuu pyörimisnopeuden suhteella alpha = 5, jolloin virtauksen dynamiikka tuottaa eteenpäin suuntautuvan työntövoiman, mikä johtaa negatiiviseen vastuskertoimen arvoon. Virtauksen visuaalinen analyysi, jossa käytetään virtausviivoja ja painejakaumakuvioita, paljastaa sylinterin ympärillä kehittyvän virtauksen epäsymmetrian pyörimisnopeuden suhteen kasvaessa. Tämä tutkimus tuo esiin painejakauman kehittymisen ja Magnus-ilmiön vaikutukset. Keskeiset tulokset ja johtopäätökset esitetään tarjoten näkemyksiä Magnus-ilmiön perusmekanismeista ja mahdollisista jatkotutkimusalueista.

Description

Supervisor

Vuorinen, Ville

Thesis advisor

Vuorinen, Ville

Keywords

Magnus effect, rotating cylinder, CFD, computational fluid dynamics, OpenFOAM, negative drag coefficient, pyörivä sylinteri, virtauslaskenta, negatiivinen vastuskerroin

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501221610

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG