Implementation of computational fluid dynamics in the design process of ducted propellers
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2017-08-28
Department
Major/Subject
Lentotekniikka
Mcode
K3004
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
76 + 8
Series
Abstract
In this thesis the implementation of Computational Fluid dynamics in the design process of ducted propellers is researched. The purpose is to find in what part of the propeller design process computational simulations give the most benefits. It is investigated how light the simulations can be for this purpose and still give accurate results that reveal possible problems. This information can then be used when making decisions about the propeller geometry. The simulation model is validated with model test data. In the validation a Ka-4-70 propeller inside a TK-nozzle is simulated. Alongside the validation a meshing method is developed for future simulations. Also the setup in the flow solver is adjusted to make future use possible. The implementation of computational simulations was kept as simple as possible to minimize the additional effort in the design process. This in mind, the tasks were automated as far as possible and a Matlab script with a graphical user interface was created for the visualization of results. The design of ducted propellers with lifting-line methods is explained on general terms and with this method, as a part of this thesis, four new propeller geometries are generated using the same initial inputs and design point. The new propellers are simulated with an existing propeller and the results are compared. The effects of different geometrical parameters are investigated by varying them between the geometries systematically. All propellers are attached to the same duct and thruster body. The simulations are performed with ANSYS Fluent using the RANS equations and the MRF method where the rotation of the propeller is presented with adding a rotational velocity to the propeller domain. The resulting open water curves for the simulated propellers correspond to the expectations. The errors are small and can be explained to some extent with the errors in the three-dimensional model. Also the error caused by the mesh cannot be excluded since the cell was on purpose held low to allow quick computations. Cavitation was estimated with the pressure coefficient and the cavitation number. The dynamic cavitation could not be modelled using time averaged methods and other ways to model it have to be used.Tässä diplomityössä tarkastellaan laskennallisen virtausmekaniikan sisällyttämistä suulakepotkurin suunnitteluprosessiin. Tarkoitus on selvittää, missä suunnitteluvaiheessa virtaussimulointia voidaan hyödyntää parhaiten ja pystytäänkö kevyillä simulaatioilla saamaan todellisuutta vastaavia tuloksia, joita voidaan hyödyntää tehdessä valintoja potkurigeometriaa koskien. Virtaussimuloinnit soveltuvat parhaiten suunniteltujen geometrioiden toimivuuden varmentamiseen. Tähän tehtävään soveltuva simulaatiomalli validoitiin mallikokeisiin perustuvalla mittausdatalla Ka-4-70 potkurille TK-suulakkeessa. Validoinnin yhteydessä kehitettiin verkotusmenetelmä, jota voidaan hyödyntää erilaisten potkurilaitteiden verkottamisessa. Lisäksi laskentaohjelman asetukset säädettiin siten, että niitä voitiin käyttää työn seuraavassa vaiheessa simuloitaessa täyden mittakaavan suulakepotkureita. Virtaussimuloinnin sisällyttäminen pyrittiin pitämään mahdollisimman yksinkertaisena, jotta se ei tuo kohtuutonta lisävaivaa suunnitteluprosessiin. Tätä varten eri osiot pyrittiin automatisoimaan mahdollisimman pitkälle ja tulosten esittämiseksi luotiin Mat-lab-ohjelma graafisella käyttöliittymällä. Työssä perehdyttiin myös kantoviivateoriaan ja siihen perustuvaan suulakepotkurisuunnitteluun. Osana työtä luotiin neljä uutta potkurigeometriaa samalle suunnittelupisteelle hyödyntäen tätä teoriaa. Niiden simuloinneista saatuja tuloksia verrattiin olemassa olevan suulakepotkurin vastaaviin tuloksiin. Eri potkurigeometriaan liittyvien parametrien vaikutuksia tutkittiin muokkaamalla potkurien geometriaa systemaattisesti. Kaikki potkurit oli simuloinneissa liitetty samaan alarunkoon ja kaikki simuloinnit suoritettiin samoilla asetuksilla. Laskenta suoritettiin ANSYS Fluent-ohjelmalla käyttäen RANS yhtälöitä ja MRF menetelmää, jossa potkurin fyysistä pyörimisliikettä mallinnetaan lisäämällä virtausyhtälöihin pyörimisnopeustermi potkurin virtauskentässä. Simuloinneista saatiin odotuksia vastaavia avovesikäyriä. Poikkeamat olivat pieniä ja osa niistä voidaan selittää mallin geometrian epätarkkuudella. Myös verkon vaikutusta tuloksiin ei voida sulkea pois, sillä se pyrittiin pitämään mahdollisimman pienenä, jotta laskenta-ajat pysyisivät kohtuullisina. Mahdollista levykavitaatiota lavan pinnoilla voitiin karkeasti arvioida painekertoimen ja kavitaatioluvun avulla. Todellisuutta vastaavaa dynaamista kavitaatiota ei pystytty aikakeskiarvoistavilla menetelmillä ratkaisemaan, joten muita malleja on käytettävä sen ratkaisemiseksi.Description
Supervisor
Kujala, PenttiThesis advisor
Rauti, TimoMikkola, Tommi
Keywords
CFD, ducted propulsion, propeller design, RANS, open water simulation, meshing strategy