Three-dimensional computational fluid dynamics analysis of cyclorotor propulsion system

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-01-23
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
71+8
Series
Abstract
This thesis is an investigation into a cyclorotor propulsion system. The principles and kinematics of cyclorotor propeller are described, along with the reasons why cyclorotor propulsion systems have grown more popular in recent years. Also the advantages it can bring over conventional propulsion systems are discussed. Then relevant theory of fluid dynamics and Computational Fluid Dynamics (CFD)are presented to bring more in-depth approach and justify some of the CFD methods used in the research case. Simulations are done using ANSYS Fluent with High Performance Clusters (HPC) provided by VTT (VTT Technical Research Centre of Finland Ltd) and CSC (IT Center for Science, Finland) to compute thrust coefficient, torque coefficient and efficiency of the propulsion system in a model scale open-water conditions. To approximate accuracy of the simulations and minimize uncertainties due to discretization methods, a verification study has been done. To choose most suitable turbulence model for the case, comparison of selected turbulence models were conducted. The simulation results are then compared to measured results obtained from open-water experiments to validate the used CFD method and to obtain more understanding how the CFD models predict the performance of the propeller compared to open-water experimental results. The reference case of the propeller had open-water efficiency around 0.71 and simulations corresponded well compared to the experimental results. Error estimation indicated that discretization error magnitude would be very low. The most accurate turbulence model was k − ω SST model with a low Reynolds number correction. Last the research work and results are summarized and next research cases regarding CFD simulations of cyclorotor propulsion system are proposed.

Tämä diplomityö on tutkimus sykloidpotkurilaitteesta. Aluksi pääperiaatteet ja kinematiikka sykloidipotkurijärjestelmästä käydään läpi sekä syyt, minkä vuoksi potkurilaitejärjestelmä on viimeisimpien kehitystöiden vuoksi saavuttanut laajempaa kaupallista kiinnostusta. Hyödyt joita sykloidipotkurilaittella on verrattuna perinteiseen propulsiojärjestelmään esitetään. Tämän jälkeen käydään läpi työn kannalta merkityksellistä teoriaa virtausmekaniikasta ja numeerisesta virtauslaskennasta tuomaan syvällisempää lähestymistä tutkimustapaukseen sekä perustelemaan käytetyt virtauslaskentamenetelmät. Laskennoilla selvitetään laitteesta työntökerroin, vääntökerroin ja hyötysuhde mallimittakaavassa avovesikoetilanteessa. Laskennat on toteutettu VTT:n (Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy) ja CSC:n (Tieteen tietotekniikan keskus Oy) suurteholaskentaklustereilla laskentatehotarpeen ollessa liian suuri tavallisella tietokoneella laskettavaksi. Laskentatarkkuuden selvittämiseksi ja yhtälöiden diskretoinnista johtuvien epävarmuustekijöiden vuoksi laskentamenetelmää on verifioitu ja eri turbulenssimalleja on vertailtu tapaukseen sopivimman turbulenssimallin löytämiseksi. Laskentatuloksia verrataan laitteen mallimittakaavassa toteutettujen avovesikokeiden tuloksiin numeerisen laskentamallin validointia varten sekä tuomaan lisäymmärrystä siitä kuinka laskentamalli ennustaa potkurin suorituskykyä verrattuna mallikokeisiin. Referenssipisteessä potkurin hyötysuhde avovedessä oli noin 0.71 ja simulaatiot vertautuivat hyvin mallikoetuloksiin. Diskretointivirhe oli alhainen ja tarkimmat tulokset saatiin k − ω SST turbulenssimallilla matalan Reynoldsin luvun korjauksella. Lopuksi tutkimustyöstä tehdään yhteenveto sekä ehdotetaan seuraavia tutkimuskohteita laitteen virtauslaskennan osalta.
Description
Supervisor
Ruponen, Pekka
Thesis advisor
Viitanen, Ville
Keywords
CFD, fluid dynamics, hydrofoil, ship propulsion, ANSYS, fluent
Other note
Citation