شبیه‌سازی عددی ارتعاشات ناشی از پروانه شناور دریایی با استفاده از تحلیل برهمکنش بین سیال و سازه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی کشتی دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 استاد، دانشکده مهندسی دریا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 گروه مهندسی مکانیک، واحد نوشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، نوشهر، ایران

چکیده

ارتعاشات سازه شناور در اثر تحریک پروانه شناور دریایی یکی از پیچیده‌ترین موضوعات مربوط به سیال و سازه و برهمکنش بین آن‌ها است. در مقاله حاضر، ابتدا شبیه‌سازی‌های عددی جریان سیال در اطراف پروانه انجام شده و منحنی‌های مشخصه عملکرد هیدرودینامیکی پروانه در شرایط آب آزاد برای ضرایب پیشروی مختلف رسم گردیده‌اند. مشاهده می‌شود که حداکثر خطای نسبی شبیه‌سازی‌های عددی نسبت به داده‌های آزمایشگاهی در ضرایب پیشروی مختلف حدود 7 درصد است. سپس شبیه‌سازی‌های عددی ارتعاشاتی پروانه جامد انجام می‌شود. به منظور رسیدن به استقلال نتایج از شبکه محاسباتی، نتایج تحلیل مودال برای محاسبه فرکانس‌های طبیعی ارتعاشاتی برای پنج شبکه‌ محاسباتی مختلف با یکدیگر مقایسه گردیده‌اند. سه جنس مختلف ماده پروانه متداول یعنی برنج، برنز نیکل-آلومینیوم و فولاد ضد زنگ در نظر گرفته شده و نتایج شبیه‌سازی‌های عددی ارتعاشاتی از قبیل فرکانس‌های طبیعی و شکل مودهای ارتعاشاتی با استفاده از تحلیل مودال برای این پروانه‌ها با یکدیگر مقایسه و تحلیل شده‌اند. به‌طور کمّی، مقادیر فرکانس‌های طبیعی برای پروانه‌های از جنس فولاد ضد زنگ و برنز نیکل-آلومینیوم به ترتیب 33 درصد و 14 درصد بیشتر از پروانه از جنس برنج هستند. به بیان دیگر، برنج آسیب پذیرترین و فولاد ضد زنگ مقاوم‌ترین جنس پروانه در برابر پدیده تشدید است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of the Propeller Vibration of a Marine Vessel using Fluid-Structure Interaction (FSI) Analysis

نویسندگان [English]

  • jabbar firouzi 1
  • hassan ghassemi 2
  • Mohsen Kiamansouri 3
1 Department of Mechanical Engineering, Imam Khomeini Naval University of Noshahr, Noshahr, Iran.
2 Department of Maritime Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran.
3 Department of Mechanical Engineering, Nowshahr Branch, Islamic Azad University, Nowshahr, Iran
چکیده [English]

Propeller-induced vibration of a marine vessel is one of the most complex issues of fluid and structure and the interaction between them. In the present article, numerical simulations of fluid flow around the propeller are performed first and the characteristic curves of propeller hydrodynamic performance in open water conditions are plotted for various advance ratios. It is observed that the maximum relative error of numerical simulations relative to experimental data in various advance ratios is about 7%. Then, the numerical vibration simulations of the solid propeller are performed. To achieve the results independently from the computational grid, the modal analysis results for calculating the vibrational natural frequencies for five different computational grids are compared to each other. Three different popular propeller materials i.e. brass, nickel aluminum bronze, and stainless steel are considered, and the results of numerical vibrational simulations such as natural frequencies and vibrational mode shapes using the modal analysis are compared for these propellers. Quantitatively, the magnitudes of natural frequencies for stainless steel and nickel-aluminum bronze propellers are 33% and 14% more than that of the brass propeller, respectively. In other words, brass is the most vulnerable and stainless steel is the most durable propeller material against resonance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Marine Vessel Propeller
  • Vibration
  • Fluid-Structure Interaction (FSI)
  • Computational fluid dynamics
  • finite element method
  • modal analysis
[1] M. S. Bopp, "A Time Accurate Fluid-Structure Interaction Framework Using a Cartesian Grid CFD Solver," Ph. D. thesis, Georgia Institute of Technology, 2017.

[2] J. E. Brooks, "Vibrations of a marine propeller operating in a nonuniform inflow," David WTaylor Naval Ship Research And Development Center Bethesda Md 1980.

[3] P. Castellini and C. Santolini, "Vibration measurements on blades of naval propeller rotating in water," in Proceedings-Spie The International Society For Optical Engineering, 1996, pp. 186-195.

[4] J.-H. Chen and Y.-S. Shih, "Basic design of a series propeller with vibration consideration by genetic algorithm," Journal of Marine Science and Technology, vol. 12, pp. 119-129, 2007.

[5] Y. Hong, X. He, and R. Wang, "Vibration and damping analysis of a composite blade," Materials & Design, vol. 34, pp. 98-105, 2012.

[6] Y.-s. WEI, Y.-s. WANG, S.-p. CHANG, and F. Jian, "Numerical prediction of propeller excited acoustic response of submarine structure based on CFD, FEM and BEM," Journal of Hydrodynamics, Ser. B, vol. 24, pp. 207-216, 2012.

[7] P. P. T. C. P. SVA Hydrodynamic Solutions, SMP15. (2015). 2nd International Workshop on Cavitating Propeller Perfomance, http://www.caee.utexas.edu/smp15/smp_workshop_2015.html.

[8] L. Davidson, "Fluid mechanics, turbulent flow and turbulence modeling," Div. of Fluid Dynamics, Dep. of Applied Mechanics, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 2019.

[9] F. R. Menter, "Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications," AIAA journal, vol. 32, pp. 1598-1605, 1994.

[10]         R. D. Cook, Finite element modeling for stress analysis: Wiley, 1994.

[11]         A. CFX, "Ansys CFX 18.0 Solver Theory Guide," ANSYS Inc, 2018.

[12]         H. Jasak, H. Weller, and A. Gosman, "High resolution NVD differencing scheme for arbitrarily unstructured meshes," International journal for numerical methods in fluids, vol. 31, pp. 431-449, 1999.

[13]        R. I. Issa, "Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting," Journal ofComputational Physics, vol. 62, pp. 40-65, 1// 1986.

[14]         H. K. Versteeg and W. Malalasekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method: Pearson Education Limited, 2007.

[15]         J. Carlton, Marine propellers and propulsion: Butterworth-Heinemann, 2012.

[16]         W. Weaver Jr, S. P. Timoshenko, and D. H. Young, Vibration problems in engineering: John Wiley & Sons, 1990.