دانلود مقاله مطالعه DES مقایسه ای از تحول گرداب بازگشتی برای پروانه های کانالی و غیرکانالی

چکیده
     یک تحلیل عددی مقایسه ای در مورد تحول گرداب های بازگشتی تولیدشده توسط پروانه های کانالی و غیرکانالی در آزمایشات آب های آزاد انجام شد. شبیه سازی ها از روش شبیه سازی گردابه های گسسته (DES) با تمرکزی بر تحلیل دقیق ترکیب گرداب ها و مکانیزم تحول مکانی تحت شرایط بارگذاری مختلف استفاده کردند. در مقایسه با پروانه های غیرکانالی، تداخل بین کانال و پروانه مستقیما شکل گرداب ها و انقباض بازگشتی را تغییر داد، توزیع انرژی در میدان های جریان داخلی را عوض کرد و درنتیجه خودالقایی و القای متقابل را افزایش داد و فرآیندهای ادغام و گروه بندی اولیه را سرعت بخشید. نتایج نشان دادند که گرداب های لایه برشی آمده از کانال یک برهمکنش قوی با گرداب های نوک کج را در یک شیوه نامنظم نشان دادند و ساختارهای منسجم ثانویه را نشان دادند. گرداب های ثانویه متعدد درطول رژیم گذار تحول دینامیکی مشاهده شدند. بعد از اتلاف انرژی و ناپایداری-ها در گرداب های بازگشتی، ساختارهای گرداب بازگشتی به آرامی شکستند. طیف های تحلیل های انرژی جنبشی (KE) میدان بازگشتی بطور کمی تحول ساختارهای گردابی بازگشتی در دامنه زمانی را تایید کردند. پروانه های کانالی دارای یک فرکانس مشخصه بودند که متناظر با فرکانس شافت آن، فرکانس گذر پره (BPF) و هارمونیک-های آن ها بود.

1- مقدمه
     پروانه های کانالی قادر به تولید سطوح بالایی از تراست و کار موثر تحت بارهای سنگین می باشند و آن ها بطور گسترده در سیستم های موقعیت یابی دینامیکی دریایی و کشتی خاص استفاده می شوند. پروانه های خاص برای کشتی ها یک دسته مهم از دستگاه های چرخشی را می سازند. یک درک جامع از مکانیزم های جریان ماشین های چرخشی اهمیت حیاتی دارد، چونکه جزییات بنیادی را برای پیش بینی عملکرد هیدرودینامیکی ارائه می کند. در حال حاضر ، تحقیقات در این زمینه بر روی ترکیب ساختاری، اختلال و مکانیزم ناپایداری گرداب ها در میدان های بازگشتی دستگاه چرخشی متمرکز هستند. تایید می شود که ساختار دینامیکی گرداب های بازگشتی بطور قابل توجهی بر نوسان های سیستم های چرخشی و عملکرد نویز ساطع شده ان ها تاثیر می گذارد (کورکوت و آتلار، 2012).
     چندین مطالعه خصوصیات گرداب های بازگشتی دستگاه چرخشی مختلف را بررسی کرده اند (فلی و همکاران، 2006). امروزه، محققان به اجماعی در ترکیب گرداب های بازگشتی ماشین چرخشی رسیده اند. بطور مفهومی، سیستم گرداب بازگشتی یک پروانه معمولی با N پره شامل N گرداب پره ای و یگ گرداب هاب است، که در آن مورد اول شامل یک گرداب نوک تیز، لایه گردابی نازک خارج شده از پره و گرداب ریشه ای می باشد. لایه گردابی نازک گرداب نوک تیز را با گرداب هاب متصل می کند. فلی و همکاران (2011) یک توصیف دقیق از خودالقایی و القای متقابل بین گرداب های نوک تیز در بازگشت جریان های نامتقارن را فراهم کردند و تعیین کردند که فرآیند تحول گرداب های بازگشتی به سه رژیم مختلف تقسیم می شود. کومار و ماهش (2017) کشف کردند که علاوه بر برهمکنش های بین گرداب های نوک تیز، برهمکنش ها نیز بین گرداب های نوک تیز و گرداب های کوچکتر تولیدشده توسط چرخش لبه تیغه پره در نزدیک بازگشت رخ می دهند و اینکه ساختارهای گردابی به آرامی می-شکنند و به بازگشت دور در رژیم ناپایدار پخش می شود.

6- نتیجه گیری
     در این مطالعه، شبیه سازی های DES برای تحلیل ترکیب، ساختار 3D، انقباض بازگشتی و تحول گردابه های بازگشتی DPM و NPM در یک شیوه سیستماتیک و جامع انجام شدند. خصوصیات ساختاری گردابه های بازگشتی DPM با جزییات نشان داده شدند. یک تحلیل کیفی از ساختارهای گردابه بازگشتی آنی با نمایش ساختارهای 3D و تحول گردابه های بازگشتی، به کمک روش های معیار Q و رندرینگ حجمی انجام شد. اضافتا، چندین نقطه پردازشی در میدان بازگشتی برای نظارت بر تغییر KE بازگشتی در دامنه زمانی قرار داده شدند. تحلیل PSDKE بطور کمی برهمکنش پیچیده بین انواع مختلف گردابه ها و تغییرات متناظر در میدان بازگشتی را روشن کرد.
     نتایج عددی نشان می دهند که گردابه های بازگشتی گیرانداخته شده به صورت ساختارهای منسجم نوعی در آشفتگی سازگاری قابل توجهی را با نتایج به دست آمده توسط مطالعات قبلی در NPMبرحسب ترکیب، تحول ساختاری، و خصوصیات طیف های KEنشان می دهند. این اعتبار مدل عددی در بررسی تحول گردابه های بازگشتی را تایید می کند. سیستم گردابه بازگشتی پروانه کانالی متشکل از گردابه های راسی، گردابه های ریشه ای، گردابه-های جریان یافته پره، یک گرداب هاب، گردابه های لایه برشی کانالی و گردابه های ثانویه بود. تداخل بین کانال و پروانه اثرات خودالقایی را تقویت کرده و بازتوزیع انرژی در میدان های جریان داخلی را افزایش داد که منجر به ادغام و گروه شدگی سریع گردابه های راسی در لبه عقب کانال شده است. به علاوه، ادغام گردابه های لایه برشی از لبه عقب کانال و گرداب های راسی جریان یافته به سمت بیرون به سرعت انتقال انرژی را افزایش داد و ساختارهای منسجم ثانویه در میدان بازگشتی نزدیک را پس زد. در نتیجه، گردابه های ثانویه با برقراری ارتباط بین گردابه های راسی متوالی بصورت گردابه های راسی تغییرشکل یافته و جابجا شده به سمت پایین مشاهده شدند. مسیر گرداب هاب شروع به نوسان در مکانی کرد که گروه شدگی گردابه راسی شروع به رخ دادن با یک افزایش دامنه متحرک به سمت پایین می کند. بعد از این، اتلاف انرژی بازگشتی افزایش یافته در نهایت منجر به تجزیه و پخش ساختارهای گردابه شد.

Abstract

     A comparative numerical analysis was conducted on the evolution of wake vortices generated by ducted and non-ducted propellers in open-water tests. The simulations employed detached eddy simulation (DES) method with a focus on the detailed analysis of the composition of vortices and spatial evolution mechanism under various loading conditions. Compared with non-ducted propellers, the interference between the duct and the propeller directly changed the morphology of vortices and wake contraction, altered the energy distribution in the internal flow fields and thereby strengthened the self- and mutual induction and accelerated the primary merging and grouping processes. The results indicated that the shear layer vortices shedding from the duct displayed a strong interaction with the distorted tip vortices in an irregular manner and ejected the secondary coherent structures. Numerous secondary vortices were observed during the transition regime of the dynamic evolution. Followed by the energy dissipation and instabilities in the wake vortices, the wake vortex structures gradually broke down. The spectra of kinetic energy (KE) analyses of the wake field quantitatively confirmed the evolution of wake vortical structures in the temporal domain. The ducted propellers possessed a characteristic frequency that corresponded to its shaft frequency, blade passing frequency (BPF) and their harmonics.

1. Introduction

     Ducted propellers are capable of generating high levels of thrust and efficiently operating under heavy loads, and they are widely utilized in specialised vessels and marine dynamic positioning systems. Special propulsions for ships constitute an important category of rotating machinery. A thorough understanding of flow mechanisms of rotating machines is of vital importance as it offers fundamental details for the hydrodynamic performance prediction. Currently, researches in the field focus on the structural composition, disturbance, and instability mechanism of vortices in the wake fields of rotating machinery. It is verified that the dynamic structure of wake vortices significantly affects the oscillations of rotating systems and their radiated noise performance (Korkut and Atlar, 2012).

     Several studies have investigated the wake vortices characteristics of different rotating machinery (Felli et al., 2006; Lignarolo et al., 2015; Okulov and Sorensen, 2007; Paik et al., 2007). Nowadays, researchers have reached a consensus on the composition of rotating-machine wake vortices. Conceptually, the wake vortex system of a conventional propeller with N blades comprises of N blade vortices and a hub vortex, in which the former includes a tip vortex, thin vortex sheet shed off the edge of the blade and root vortex. The thin vortex sheet connects the tip vortex with the hub vortex. Felli et al. (2011) provided a detailed description of self- and mutual induction between tip vortices in the wake of axisymmetric flows and determined that the evolution process of wake vortices is divided into three different regimes. Kumar and Mahesh (2017) discovered that in addition to interactions between tip vortices, interactions also occur between tip vortices and smaller vortices generated by the roll-up of the blade trailing edge wake in the near wake and that vortical structures gradually break up and diffuse into the far wake in the unstable regime.

6. Conclusions

     In the study, DES simulations were carried out to analyse the composition, 3-D structure, wake contraction and evolution of wake vortices of DPM and NPM in a systematic and comprehensive manner. The structural characteristics of the DPM wake vortices were depicted in detail. A qualitative analysis of the instantaneous wake vortex structures was performed by illustrating the 3-D structures and evolution of wake vortices, with the aid of Q-criterion and volume rendering methods. Additionally, multiple probing points were set up in the wake field to monitor the wake KE variation in the time domain. The PSD analysis of KE further quantitatively elucidated the complex interactions between various types of vortices and the corresponding changes in the wake field.

     The numerical results reveal that the captured wake vortices as typical coherent structures in turbulence exhibit significant consistency with the results obtained by previous studies on NPM in terms of composition, structural evolution, and KE spectra characteristics. This validates the credibility of the numerical model in examining the evolution of wake vortices. The ducted propeller's wake vortex system was comprised of tip vortices, root vortices, blade shed vortices, a hub vortex, duct shear layer vortices, and secondary vortices. The interference between the duct and the propeller has strengthened the self-induction effects and promoted the energy redistribution in the internal flow fields, which has led to the rapid merging and grouping of tip vortices at the trailing edge of the duct. Furthermore, the merging of shear layer vortices from the trailing edge of the duct and the outflowing tip vortices rapidly promoted the energy transfer and ejected the secondary coherent structures in the near wake field. Consequently, secondary vortices bridging consecutive tip vortices were observed as the deformed tip vortices convected downstream. The trajectory of the hub vortex commenced oscillating at the location at which the tip vortex grouping began to occur with an increasing amplitude moving downstream. Following this, the enhanced wake energy dissipation eventually led to the breakdown and diffusion of vortex structures.

     Due to the existence of the duct, the wake contraction was delayed in the DPM cases. When compared with the NPM, the trajectory of tip vortices was observed at a larger distance in the radial direction with a low slope of the wake radius in the near field. The PSD analysis of the KE quantitatively described various forms of distortion that occurred during the evolution of instantaneous wake vortex structures from the energy transfer perspective. Through induced stronger interference and distortion in wake vortices, the KE spectra characteristics of the DPM demonstrated that peaks were observed corresponding to multiples of the BPF as NPM cases. Furthermore, peaks corresponding to the shaft frequency and its harmonics in the PSD constituted quantitative manifestations of tip vortex grouping and the development of secondary vortical structures in the DPM wake.

(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)

چکیده
1- مقدمه
2- پیش زمینه نظری
2-1 مدل های ریاضی
2-2 مدل های عددی
3- ستاپ عددی
3-1 مورد آزمایش
3-2 خصوصیات مش
3-3 درستی سنجی حساسیت شبکه
4- نتایج
4-1 میدان های بازگشتی آنی
4-2 ساختارهای گردابی
4-3 طیف های انرژی جنبشی
4-3-1 تحلیل PSD برای DPM و NPM
4-3-2 خصوصیات PSD و شکل گردابه های بازگشتی
5- بحث
6- نتیجه گیری
منابع

ABSTRACT
1. Introduction
2. Theoretical background
2.1. Mathematical models
2.2. Numerical models
3. Numerical set-up
3.1. Test case
3.2. Mesh characteristics
3.3. Grid sensitivity verification
4. Results
4.1. Instantaneous wake fields
4.2. Vortical structures
4.3. Kinetic energy spectra
4.3.1. PSD analysis for DPM and NPM
4.3.2. PSD characteristics and morphology of wake vortices
5. Discussions
6. Conclusions
References