شماره ركورد
27625
پديد آورنده
مريم كامران
عنوان
بهسازي و تحليل اثرات هندسه پروفيل مقطع پروانه نيمه مغروق بر عملكرد هيدروديناميكي آن
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك- تبديل انرژي ـ ديناميك سيالات
سال تحصيل
1395
تاريخ دفاع
1401/8/4
استاد راهنما
محمد نوري
دانشكده
مكانيك
چكيده
توسعه پروانههاي نيمه مغروق يكي از موضوعات كليدي گسترش شناورهاي سطحي ميباشد. مدل¬هاي تئوري و تجربي توسعه داده شده تاكنون در طراحي و آناليز عملكرد پروانه¬هاي نيمه مغروق در فاز طراحي موفق عملنكردهاند و لذا هندسه پروانه نيمه مغروق تاكنون بهصورت تجربي طراحي شده و مطالعات جامعي بر شناسايي پارامترهاي تأثيرگذار بر عملكرد آنكه منجر به ارائهي روابط سيستماتيك شود ارائه نشده است. جهت توسعه روشهاي طراحي و بهبود عملكرد اين پروانه نياز به توسعه مطالعات عددي و تجربي بر هندسههاي مختلف و بررسي وجود روابط سيستماتيك جهت پيشبيني عملكرد پروانه تحت اثر پارامترهاي مختلف ميباشد.
يكي از چالشهاي اصلي در توسعه پروانههاي نيمه مغروق، شناسايي اثرات پارامترهاي هندسي بر عملكرد آن است. مهمترين پارامتر هندسي اين پروانه¬ كه متفاوت با پروانه¬هاي متداول است مقطع آن با لبه حمله تيز و لبه فرار ضخيم ميباشد. در اين پژوهش به هدف امكانسنجي ارائه روابط سيستماتيك بين پارامترهاي هندسي مقطع پروانه و مشخصههاي هيدروديناميك آن و همچنين توسعه دانش تجربي، به مطالعه تأثير تغيير هندسه مقطع پروانه نيمه مغروق بر عملكرد آن بر پايهي تركيب روش ديناميك سيالات محاسباتي، طراحي آزمايشها (DOE) و تست تجربي پروانه پرداخته شده است.
در اين راستا در مرحله اول، هندسه پارامتريك پروانه پايه هيدرولب (HL) بر پايه متد بي-اسپلاين درجه 3 طراحي شده و سپس يك خانواده پروانه با لبه فرارهاي متفاوت (HL-Tx) و يك خانواده پروانه با منحني سطح كمفشار متفاوت (HL-Sx) برحسب مختصات نقاط كنترلي مقطع بر پايهي روش سطح پاسخ D-optimal طراحي شدهاند. پسازآن به جهت تعيين منحني عملكرد پروانه پايه از روش تست مدلي در تونل آب سطح آزاد استفاده شده است. در اين راستا طراحي، ساخت و كاليبراسيون يك مكانيزم تست مدلي پروانه نيمه مغروق بر پايهي تونل آب مدارباز دانشگاه علم و صنعت ايران صورت گرفته و رفتار پروانه HL001 تحت پارامترهاي موقعيتي و عملياتي مختلف بررسي شده است. بر مبناي اطلاعات تجربي اين پروانه، جهت بررسي اثر لبه فرار و منحني سطح كمفشار مقطع بر عملكرد پروانه، روش شبيهسازي عددي پروانهها بر پايهي روش ديناميك سيالات محاسباتي و روش URANS و بهكارگيري متد دوفازي VOF و تكنيك مش لغزان براي شبيهسازي چرخش جريان در حالت گذار بين دو فاز آب و هوا توسعه داده شد. نتايج روش شبيهسازي مطابقت خوبي با دادههاي تجربي دارد.
پس از شبيهسازي هندسههاي سري HL-Tx و HL-Sx، آناليز آماري مدلهاي رگرسيون درجهدو ضرايب هيدروديناميكي پروانه برحسب متغيرهاي طراحي مورد بررسي قرار گرفت. تجزيه و تحليل واريانس پروانههاي سري HL-Tx برحسب ارتفاع لبه (Y) و طول برآمدگي (X)، نشاندهنده رابطه خطي بين ضرايب تراست و گشتاور و فاكتور اصلي (X) با كفايت پيشبيني بيش از 90٪ ميباشد. بهطوريكه افزايش آن باعث كاهش ضرايب هيدروديناميكي ميشود. نتايج نشاندهنده تأثير قابلتوجه شكل لبه فرار پروانه بر ضرايب گشتاور و تراست تا 40٪ ميباشد درحاليكه بيشينه تغييرات راندمان حدود 7٪ ديده شد. درنتيجه اين بررسي، پروانه نيمه مغروق با زاويه بزرگتر نسبت به خط كورد و ارتفاع كوتاهتر، عملكرد و پوشش كويتي هوادهي بهتري دارند.
همچنين با آناليز آماري مدل رگرسيون ضرايب هيدروديناميك هندسههاي سري HL-Sx، برحسب سه متغير هندسي ضخامت لبه حمله (m)، ضخامت انتهايي (t) و لبه استپ (δ)، نتايج نشاندهنده اثرگذاري كمتر شكل منحني سطح كمفشار بر عملكرد پروانه نسبت به لبه فرار ميباشد. بيشينه تغيير ضرايب هيدروديناميك پروانه 11% و بيشينه اثر آن بر بازده اي پروانه 7.5 % بدست آمد. همچنين تحليل واريانس معادلات رگرسيون، نشاندهنده وجود رابطه تعامل متقاطع در بين سه پارامتر هندسي و وجود مدل رگرسيون غيرخطي با كفايت پيشبيني 60% ميباشد.
تاريخ ورود اطلاعات
1401/10/04
عنوان به انگليسي
Improvement and analysis of the effect of blade section geometry on surface-piercing propeller hydrodynamic performance
تاريخ بهره برداري
10/26/2023 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
مريم كامران
چكيده به لاتين
Today, surface-piercing propellers have been recognized as a suitable choice for higher speeds. Yet, the development of design algorithms for such has been challenged by insufficient knowledge about the parameters affecting their performance. The geometry of surface piercing propeller has been designed experimentally, and no comprehensive studies are available for identifying the influential parameters to attain systematic formulations. One of the main challenges in the development of surface-piercing propellers is to identify the effects of geometric parameters on the performance. The main geometric difference between SPP and conventional propellers is its blade section shape. The blade section is of super cavity type with a sharp leading edge and thick trailing edge. Therefore, this research aims to evaluate the feasibility of presenting systematic relations between the geometric parameters of blade section and its hydrodynamic characteristics through combined methods of computational fluid dynamics and design of experiment and model testing.
In this regard, in the first step, the parametric geometry of the hydrolab base propeller (HL) is designed based on the cubic B-spline method. then a propeller family with different trailing edge (HL-Tx) and a propeller family with a different low pressure surface curve (HL –Sx) are generated according to the coordinates of control points based on the D-optimal response surface methodology. After that, in order to determine the performance of the base propeller, the model test method was used in the free surface open water tunnel. In this regard, the design, construction and in-situ calibration of a model test mechanism for SPP propellers was carried out based on the open loop water tunnel of the Iran University of Science and Technology, and the behavior of the HL001 propeller was investigated under different positional and operational parameters. Moreover, ventilation wake development at different Froude numbers was studied.
Based on the experimental data of this propeller, in order to investigate the effect of the trailing edge and the curve of the low-pressure surface of blade section on the performance of the propeller, the numerical simulation method of the propellers is based on URANS numerical simulation method in accordance with the two-phase VOF method and sliding mesh technique. The results of the simulation method are in good agreement with the experimental data. Finally, the quadratic regression models of hydrodynamic coefficients in terms of geometric variables have been statistically investigated by ANOVA method. ANOVA analyses of the quadratic regression models of HL-Tx series in terms of edge height (Y) and protrusion length (X), based on a 95% confidence interval, indicate these models have prediction adequacy of more than 90%. The main factor (X) is the only significant factor in both models. Increasing it will reduce the hydrodynamic coefficients. As a result, trailing edge variations can significantly affect torque and thrust coefficients by up to 40%, while efficiency changes are about 7%.
Also, the statistical analysis of the regression model of HL-Sx series, in terms of the three geometrical variables of the thickness of the leading edge (m), the thickness of the end curve (t) and the step (δ) show that the shape of the low-pressure surface curve has less effect on the performance of the propeller than The trailing edge is volatile. The maximum change in propeller hydrodynamic coefficients was 11% and the maximum effect on propeller efficiency was 7.5%. Also, the variance analysis of the regression equations indicates the existence of a cross-interaction relationship between the three geometric parameters and the existence of a nonlinear regression model with a prediction adequacy of 60%.
كليدواژه هاي فارسي
پروانه نيمه مغروق , مقطع پروانه , حل عددي , تست مدلي
كليدواژه هاي لاتين
Surface piercing propeller , blade section , numerical analysis , model testing
Author
Maryam Kamran
SuperVisor
Mohammad nouri