Calculation of the hydrodynamic resistance of appendages on conventional vessels

Abstract

Η Διατριβή, αποσκοπεί στην αριθμητική διατύπωση, στην παραγωγή λογισμικού και την επικύρωση μεθόδου, για την επίλυση του προβλήματος τυρβώδους ροής γύρω από τα παρελκόμενα συμβατικών πλοίων. Η μέθοδος ακολουθεί την προσέγγιση των επικαλυπτόμενων πλεγματικών μπλοκ, τμήματος της μεθόδου Πεπερασμένων Όγκων. Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται και επεκτείνει την μέθοδο αριθμητικής επίλυσης των προβλημάτων αντίστασης και πρόωσης πλοίων χωρίς παρελκόμενα, η οποία έχει αναπτυχθεί στο ΕΝΘΥ-ΕΜΠ. Η μέθοδος του ΕΝΘΥ, επιλύει τις εξισώσεις Reynold’s Averaged Navier-Stokes (RANS) σε συνδυασμό με τα μοντέλα τύρβης δύο εξισώσεων k-ε και k-ω-SST. Στην παρούσα Διατριβή εισάγεται η χρήση Total Variation Diminishing Σχημάτων Διακριτοποίησης με τη συνάρτηση περιορισμού Minmod, με στόχο την αύξηση της ακρίβειας της μεθόδου. Η επίδραση της έλικας μοντελοποιείται μέσω της κλασσικής μεθόδου του δίσκου ορμής.Η ροή γύρω από τη γάστρα μοντελοποιείται μέσω δομημένων τριδιάστατων αριθμητικών πλεγμάτων, που αποτελούνται από διδιάστατα ορθογώνια καμπυλόγραμμα πλέγματα τύπου-Ο, που παράγονται με τη μέθοδο του σύμμορφου μετασχηματισμού. Η μέθοδος επεκτείνεται ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν έως και τρία πλεγματικά block ώστε να επιτυγχάνεται ακριβέστερη πρόλεξη της αντίστασης, για πλοία με «γεμάτες» γραμμές στην περιοχή της πλώρης, ενώ μπορεί να προβλεφθεί και η επίδραση ενός διαβρεχόμενου καθρέπτη.Μία νέα υβριδική μέθοδος παρουσιάζεται, όπου η ελεύθερη επιφάνεια προκύπτει από τη λύση του προβλήματος δυναμικού και στη συνέχεια διορθώνεται με επίλυση των εξισώσεων RANS. Οι διορθώσεις εφαρμόζονται μόνο στο πρυμναίο τμήμα του πλοίου και στον ομόρου. Ειδικός χειρισμός των συνοριακών συνθηκών απαιτείται στη ελεύθερη επιφάνεια, ώστε να αποφεύγονται προβλήματα σύγκλισης. Η προτεινόμενη μέθοδος επικυρώνεται μέσω συγκρίσεων με πειραματικές μετρήσεις.Μία νέα μέθοδος προτείνεται για την επίλυση του προβλήματος ροής γύρω από τα παρελκόμενα πλοίων. Η μέθοδος ακολουθεί την προσέγγιση των πλεγματικών block, όπου η ροή γύρω από κάθε στοιχείο των παρελκομένων, επιλύεται ξεχωριστά. Τα πλεγματικά block επικαλύπτονται και η πληροφορία μεταφέρεται από ένα block σε άλλο, μέσω των συνοριακών συνθηκών που επιβάλλονται στο τελευταίο.Στην παρούσα Διατριβή παρουσιάζεται μία μέθοδος για την παραμετρική αναπαράσταση των παρελκομένων πλοίων. Στη συνέχεια παρουσιάζεται λεπτομερώς η μέθοδος για την παραγωγή των επιμέρους πλεγμάτων μαζί με την προτεινόμενη μέθοδο για την ανταλλαγή της πληροφορίας. Ο επιλύτης των εξισώσεων RANS του ΕΝΘΥ, τροποποιείται ώστε να μπορεί να χειριστεί τα νέα πλέγματα, καθώς και την ανταλλαγή της πληροφορίας όπως περιγράφηκε παραπάνω. Η ικανότητα της νέας μεθόδου, να επιλύει τη ροή γύρω από τα επιμέρους block, επιδεικνύεται μέσα από μία σειρά αριθμητικών πειραμάτων.Το λογισμικό που προέκυψε από την παρούσα Διατριβή, χρησιμοποιείται για την επίλυση των προβλημάτων αντίστασης και πρόωσης για το δεξαμενόπλοιο “Dyne”, τόσο σε κλίμακα μοντέλου όσο και σε φυσική κλίμακα, για τις περιπτώσεις της γάστρας χωρίς παρελκόμενα καθώς και εκείνης του πλοίου με πηδάλιο. Το πηδάλιο μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας ένα ξεχωριστό πλεγματικό block. Για τον καθορισμό της αναγκαίας πλεγματικής πυκνότητας, πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας. Ακόμη, μέσω μία σειράς αριθμητικών πειραμάτων, αξιολογείται η αποδοτικότητα της διάταξης των επικαλυπτόμενων πλεγμάτων. Τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίνονται με διαθέσιμες πειραματικές μετρήσεις.