Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Accuracy of transient versus steady state forces on a rudder operating in a propeller slipstream
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics.
2015 (English)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Noggrannheten hos tidsberoende kontra stationära krafter på ett roder i en propellerström (Swedish)
Abstract [en]

In computational fluid dynamics (CFD), a transient simulation is in general more costly than computing the steady state of the system, if such a state exists. The velocity field produced by the propeller blades upstream of a rudder is transient in nature, and rudder design using CFD may therefore become very time-consuming. If a steady solution could accurately predict the performance of the rudder, such an approach would be favourable. The aim of the present study was to assess the possibility to accurately predict the performance of a rudder operating in a propeller slipstream using steady state simulations, e.g. an actuator disk model (ADM). For this reason, the performance of the two-dimensional NACA 0021 rudder section submitted to a sinusoidal transverse gust, representing a transient propeller slipstream, was simulated using ANSYS Fluent. The predicted force coefficients are presented for a number of gust amplitudes, mean angles of attack and reduced frequencies of the transverse gust. The simulations have shown that the modelling error introduced when predicting the performance in a steady state is highly dependent on all these parameters of the actual transient flow, and that the steady result may be a severe over- or under-prediction of the real performance of the rudder. Heavily loaded propellers are suspected to be less suitable for ADM modelling in rudder performance prediction. The predicted unsteady lift coefficient was compared to the linear theories of Horlock and Sears, and the agreement was fair at zero mean angle of attack but poor at a mean angle of attack of 10°. It was also found that the predicted performance of the rudder was significantly altered when the chord based Reynolds number was increased by a factor of 10, which has implications on the validity of model-scale simulations. The effect of including turbulent transition modelling for some of the simulations was also investigated, and the discrepancy in predicted performance was found to be considerable. Due to the formation of a laminar separation bubble the predicted trailing edge separation and viscous stress on the rudder were significantly decreased, leading to better overall performance.

Abstract [sv]

Tidsberoende simuleringar inom strömningslära är betydligt mer beräkningsintensiva än stationära simuleringar av samma system, såvida en stationär lösning finns. Strömningsfältet från en propeller framför ett roder är tidsberoende, vilket därför kan göra roderdesign med hjälp av flödessimuleringar (CFD) väldigt tidskrävande. Om rodrets prestanda går att prediktera med en stationär lösning vore detta fördelaktigt. Målet med denna studie var att utvärdera möjligheten att noggrant prediktera prestandan hos ett roder i en propellerström med stationära simuleringar, t.ex. en aktuatordiskmodell (ADM). Till detta syfte har prestandan hos en tvådimensionell NACA 0021-profil simulerats, då rodret utsattes för ett sinusformad våg i inflödet, vilket skulle representera en tidsberoende propellerström. De beräknade kraftkoefficienterna har utvärderats mot det vågformade inflödets amplitud, frekvens och genomsnittliga anfallsvinkel. Simuleringarna har visat att felet som introduceras när prestandan predikteras stationärt beror kraftigt på värdet av alla dessa parametrar i den verkliga tidsberoende propellerströmmen, och den stationära lösningen kan antingen vara en över- eller underskattning av den verkliga prestandan. Tungt lastade propellrar misstänks vara minst lämpade för modellering med en ADM för roderberäkningar. Den predikterade roderprestandan förändrades avsevärt då Reynoldstalet ökades med en tiopotens, vilket har betydelse för giltigheten av simuleringar på modellskala. Resultaten har även jämförts med Horlocks och Sears analytiska teorier, och överensstämmelsen var godtagbar vid en genomsnittlig anfallsvinkel på 0° men dålig vid 10°. Effekten av att inkludera transitionsmodellering har undersökts för några av simuleringarna och skillnaden i resultat var avsevärd. Både separationen vid rodrets aktre ände och den viskösa skjuvkraften på rodret reducerades på grund av att transitionsmodellen predikterade en laminär separtationsbubbla.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. , 52 p.
Keyword [en]
Unsteady flows, rudders, propellers, fluid mechanics, performance prediction, unsteady aerofoils
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics Vehicle Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-105545OAI: oai:DiVA.org:umu-105545DiVA: diva2:826453
External cooperation
Rolls-Royce AB
Subject / course
Examensarbete i teknisk fysik
Educational program
Master of Science Programme in Engineering Physics
Supervisors
Examiners
Available from: 2015-06-26 Created: 2015-06-25 Last updated: 2015-06-26Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1783 kB)704 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1783 kBChecksum SHA-512
1fe37f8b066f0afbb761ee693707ea81b4eb2c2c45d129790492f4d176e14ab5a931f2fb5f6f291f360decec443bb69ea82450cdb04d5310d6019b985ca22a69
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Department of Physics
Fluid Mechanics and AcousticsVehicle Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 704 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 2028 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf