8/2/2019 04098856 Application of Computational Fluid Dynamics to Research Vessel Design

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A p p l i c a t i o n of C o m p u t a t i o n a l Fluid Dynamicst o Research Vessel Design

S . A n i l KumarT h e G l o s t e n A s s o c i a t e s , I n c .1 2 0 1 W e s t e r n A v e n u e , S u i t e 2 0 0S e a t t l e , WA 9 8 1 0 1 USA

A b s t r a c t - T h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e a p p l i c a t i o n o f c o m p u t a -t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ( C F D ) t o a f e w p r o b l e m s r e l a t i n g t o t h e d e -s i g n a n d o p e r a t i o n o f r es e ar c h v e s s e l s a n d p l a t f o r m s . T h e f i r s ta p p l i c a t i o n p r e s e n t e d i s t h e p r e d i c t i o n o f t h e s p e e d - p o w e r r e l a t i o n -s h i p f o r a t w i n - s t r u t SWATH. C a lc ul at io ns o f t he s h a f t h o r s e -p o w e r c u r v e f o r a p r e d e c e s s o r SWATH d e s i g n s h o w g o o d c o mp a r i -s o n w i t h a v a i l a b l e e x p e r i m e n t a l d a t a . The CFD c a l c u l a t i o n s h e l pt o d e t e r m i n e t h e m a i n p r o p u l s i o n l e v e l s a n d t o s u g g e s t a d e s i g ni m p r o v e m e n t t h a t w o u l d b e c o n d u c i v e t o a f i x e d - p i t c h p r o p e l l e rs o l u t i o n . T h e s e c o n d a p p l i c a t i o n p r e s e n t e d i s t h e c a l c u l a t i o n o f t h ew i n d f i e l d a r o u n d a s e m i - s u b m e r s i b l e p l a t f o r m . The c a l c u l a t i o n sq u a n t i f y t h e w i n d f i e l d d i s t o r t i o n i n t h e p r e s e n c e o f t h e p l a t f o r ma n d s h o w how t w o s u i t a b l y p o s i t i o n e d a n e m o m e t e r s may b e u s e dt o g e t h e r t o o b t a i n a g o o d e s ti m a te o f t he f a r - f i e l d w i n d e n v i r o n -m e n t . F i n a l l y , b r i e f m e n t i o n i s made o f a t h ir d a p p li c a ti o n i n v o l v -i n g t h e m i n i m i z a t i o n o f t h e r e s i s t a n c e p e n a l t y i n c u r r e d b y G o n -d o l a - t y p e s o n a r t r a n s d u c e r a s s e m b l i e s .

I . I N T R O D U C T I O NC o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ( C F D ) m e t h o d s a r e i n c r e a s -i n g l y b e i n g u s e d i n t h e s h i p d e s i g n p r o c e s s a t s h i p y a r d s a n d d e -s i g n f i r m s . T h i s i s p a r t i c u l a r l y t h e c a s e f o r a n a l y z i n g t h e f l o wf i e l d a n d m a k i n g c o m p a r a t i v e r a n k i n g s o f h u l l d e s i g n v a r i a -t i o n s a r e a s i n w h i c h t h e m e t h o d s h a v e a t t a i n e d a c e r t a i n l e v e l

o f m a t u r i t y . P r o g r e s s i n t h e d e v e l o p m e n t o f CFD m e t h o d s f o rs h i p h y d r o d y n a m i c p r o b l e m s a n d t h e p r e s e n t s t a t e o f t h e a r t a r er e v i e w e d i n , e . g . , [ 1 ] a n d [ 2 ] .E v i d e n t l y , many p r o b l e m s s t i l l d o n o t l e n d t h e m s e l v e s t o CFDa n a l y s i s . T h i s may b e d u e t o i n h e r e n t l i m i t a t i o n s o f t h e u n d e r l y -i n g m e t h o d o l o g i e s o r s i m p l y d i f f i c u l t i e s i n m o d e l i n g a c o m p l e xh u l l f o r m . T h e p r e s e n t p a p e r d e s c r i b e s t h e c r e a t i v e u s e o f CFDm e t h o d s t o s u r m o u n t s u c h d i f f i c u l t i e s i n s t u d y i n g t w o p r o b l e m sr e l a t i n g t o t h e d e s i g n a n d o p e r a t i o n o f r e s e a r c h v e s s e l s a n d p l a t -f o r m s :1 . P r e d i c t i n g t h e s p e e d - p o w e r r e l a t i o n s h i p f o r a c o m p l e x ,t w i n - s t r u t SWATH ( S m a l l W a t e r p l a n e A r e a T w i n H u l l ) , t o d e -t e r m i n e t h e m a i n p r o p u l s i o n l e v e l s2 . C a l c u l a t i n g t h e w i n d f i e l d a r o u n d a s e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r m , t o g u i d e t h e s u i t a b l e p o s i t i o n i n g o f a n e mo m e t e r s f o rm e a s u r i n g f a r - f i e l d w i n d s

I I . S P E E D - P O W E R R E L A T I O N S H I PF O R A T W I N - S T R U T SWATHT h e f i r s t a p p l i c a t i o n i s t h e p r e d i c t i o n o f t h e s p e e d - p o w e r r e l a -t i o n s h i p f o r t h e S t a b l e S e m i - S u b m e r g e d P l a t f o r m S S P K a i m a -l i n o i n i t s c u r r e n t c o n f i g u r a t i o n ( F i g . 1 ) . T h e a n a l y s i s i s p a r t o fa f e a s i b i l i t y s t u d y t o e v a l u a t e t h e v e s s e l ' s u s e a g a i n , i n i t s c u r -

r e n t c o n f i g u r a t i o n , a s a s c i e n c e p l a t f o r m . T h e S S P K a i m a l i n ow a s d e v e l o p e d a s a n e x p e r i m e n t a l v e s s e l b y t h e U n i t e d S t a t e sN a v y i n t h e l a t e 1 9 6 0 s a n d w a s i n s e r v i c e a s a r e s e a r c h v e s s e l i nt h e 1 9 7 0 s . R e f . [ 3 ] t r a c e s t h e d e v e l o p m e n t o f t h e v e s s e l .

F i g u r e 1 . P i c t u r e o f t h e C u r r e n t S S P K a i m a l i n oA m a i n d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e v e s s e l ' s o r i g i n a l c o n f i g u r a t i o na n d t h e c u r r e n t c o n f i g u r a t i o n l i e s i n t h e e n l a r g e m e n t o f t h el o w e r h u l l s ( s e e F i g . 2 ) . R e - p o w e r i n g i s t h o u g h t t o b e n e c e s s a r yd u e t o o b s o l e s c e n c e a n d d e t e r i o r a t i o n o f t h e e x i s t i n g p r o p u l s i o np l a n t a n d a l s o b e c a u s e t h e v e s s e l w a s o r i g i n a l l y p o w e r e d f o r

h i g h e r s p e e d s .

( a ) O r i g i n a l C o n f i g u r a t i o n

( b ) C u r r e n t C o n f i g u r a t i o n

( c ) P r o p o s e d C o n f i g u r a t i o nF i g u r e 2 . C o m p a r i s o n o f t h e K a i m a l i n o ' s c o n f i g u r a t i o n s

1 - 4 2 4 4 - 0 1 1 5 - 1 / 0 6 / $ 2 0 . 0 0 2 0 0 6 I E E E

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A r e l i a b l e s p e e d - p o w e r c u r v e w a s a v a i l a b l e o n l y f o r t h eo r i g i n a l c o n f i g u r a t i o n ( f r o m f i e l d t r i a l s ) . S c h e d u l e a n d c o s tc o n s t r a i n t s m e a n t t h a t i t w a s n o t f e a s i b l e t o p e r f o r m m o d e l t e s t so r f i e l d t r i a l s t o o b t a i n t h e s p e e d - p o w e r r e l a t i o n s h i p f o r t h e c u r -r e n t c o n f i g u r a t i o n . T h e r e f o r e , a CFD a n a l y s i s w a s u n d e r t a k e nw i t h t h e s p e c i f i c o b j e c t i v e o f i d e n t i f y i n g t h e p r o p u l s i o n l e v e l s .C o m p u t a t i o n a l M e t h o d a n d R e s u l t s

T h e d i f f i c u l t i e s i n p e r f o r m i n g a CFD a n a l y s i s o f t h e K a i m a -l i n o a r e t o a l a r g e e x t e n t d u e t o t h e c o m p l e x i t i e s i n t h e h u l l f o r ma n d t h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e v a r i o u s f e a t u r e s . U n l i k e t r a d i -t i o n a l s h i p h u l l s , t h e K a i m a l i n o h a s m u l t i p l e s u r f a c e - p i e r c i n gs t r u t s w i t h r a k e d b o w s ; p r o m i n e n t s u b m e r g e d b o d i e s o f r e v o l u -t i o n o f v a r y i n g c r o s s - s e c t i o n a l a r e a s ; b u l b o u s b o w s ; m u l t i p l el i f t i n g s u r f a c e s ( t w i n r u d d e r s , a n a f t h y d r o f o i l , a n d c a n a r d s a tt h e b o w ) ; a n d t w i n p r o p e l l e r s . D e t a i l s o n how t h e K a i m a l i n ow a s p a n e l i z e d t o r e s o l v e t h e s e c o m p l i c a t e d f e a t u r e s a r e i n aw o r k i n g p a p e r [ 4 ] .T h e CFD c a l c u l a t i o n s w e r e c a r r i e d o u t u s i n g SHIPFLOWTM[ 5 ] . T h e s o f t w a r e h a s b e e n v a l i d a t e d a n d v e r i f i e d f o r a w i d ev a r i e t y o f s h i p h y d r o d y n a m i c a p p l i c a t i o n s f e a t u r i n g n o t o n l ym o n o h u l l s b u t a l s o c a t a m a r a n s a n d t r i m a r a n s . I t e m p l o y s a ni n t e r a c t i v e z o n a l a p p r o a c h c o n s i s t i n g o f a p o t e n t i a l - f l o w m e t h o df o r c a l c u l a t i n g t h e i n v i s c i d f l o w a w a y f r o m t h e h u l l s u r f a c e ,momentum i n t e g r a l m e t h o d s f o r c a l c u l a t i n g t h e b o u n d a r y l a y e ra l o n g t h e h u l l s u r f a c e , a n d a R ey n ol d s - a v er a g e d N a vi e r S t o k e s( R A N S ) m e t h o d f o r c a l c u l a t i n g t h e v i s c o u s w a k e .P o t e n t i a l - f l o w c a l c u l a t i o n s w e r e f i r s t p e r f o r m e d u s i n g S H I P -F L O W a n d t h e t o t a l r e s i s t a n c e w a s c a l c u l a t e d f o r a n u m b e r o fs p e e d s r a n g i n g f r o m 7 t o 1 5 k n o t s . F i g . 3 s h o w s t h e c a l c u l a t e dw a v e f i e l d a t 1 0 k n o t s .

yFF i g u r e 3 . P e r s p e c t i v e v i e w o f t h e c a l c u l a t e d wave f i e l d a t 1 0 k n o t s

D u e t o i n h e r e n t l i m i t a t i o n s o f t h e c o m p u t a t i o n a l m e t h o d , s i m -p l i f y i n g a s s u m p t i o n s n e e d e d t o b e m a d e t o t h e m o d e l s o t h a t t h ew a k e f r a c t i o n a n d t h r u s t d e d u c t i o n f a c t o r c o u l d b e c a l c u l a t e d .T h e s e a s s u m p t i o n s a n d t h e p r o c e d u r e f o r c a l c u l a t i n g t h e s h a f th o r s e p o w e r a r e a l s o d e t a i l e d i n [ 4 ] ; f o r b r e v i t y , o n l y t h e s a l i e n tp o i n t s a r e m e n t i o n e d h e r e .E s s e n t i a l l y , a t a g i v e n s p e e d , SHIPFLOW w a s u s e d t o c a l c u -l a t e t h e w a v e - m a k i n g r e s i s t a n c e , a p p e n d a g e d r a g a n d l i f t -i n d u c e d d r a g ( d u e t o t h e c a n a r d s a n d t h e a f t h y d r o f o i l ) , a n d t h ef o r m f a c t o r . T h e I T T C - 5 7 m o d e l - c o r r e l a t i o n l i n e [ 6 ] w a s u s e da l o n g w i t h t h e c a l c u l a t e d f o r m f a c t o r t o o b t a i n t h e f r i c t i o n a lr e s i s t a n c e . A i r d r a g d u e t o a h e a d w i n d o f 1 0 k n o t s w a s e s t i -m a t e d . T h e w a v e - m a k i n g r e s i s t a n c e , a p p e n d a g e d r a g , l i f t -i n d u c e d d r a g , f r i c t i o n a l r e s i s t a n c e , a n d a i r d r a g t h e n m a k e u p t h e

t o t a l r e s i s t a n c e a t t h e g i v e n s p e e d . T h e c a l c u l a t e d t o t a l r e s i s -t a n c e a l s o i n c l u d e s a c o r r e l a t i o n a l l o w a n c e [ 6 ] o f 0 . 0 0 0 4 .V i s c o u s - f l o w c a l c u l a t i o n s w e r e a l s o p e r f o r m e d u s i n g S H I P -FLOW t o c a l c u l a t e t h e w a k e f r a c t i o n a n d , i t e r a t i v e l y , t h e t h r u s td e d u c t i o n f a c t o r ( t h e p r o p e l l e r s w e r e m o d e l e d a s a c t u a t o r d i s k st h a t e x e r t a u n i f o r m t h r u s t ) . F r o m t h e s e , t h e h u l l e f f i c i e n c y a t ag i ve n s p e ed w a s o b t a i n e d . O p e n - w a t e r p r o p e l l e r e f f i c i e n c y w a sd e t e r m i n e d u s i n g d a t a f o r s t a n d a r d B - s e r i e s ( c o n v e n t i o n a l b l a d e )p r o p e l l e r s [ 7 ] . S i n c e c o n t r o l l a b l e - p i t c h p r o p e l l e r s w e r e i n u s eo n t h e o r i g i n a l K a i m a l i n o , i n c a l c u l a t i n g t h e s h a f t h o r s e p o w e r( S U P ) t h e p r o p e l l e r f a c e p i t c h r a t i o w a s a l l o w e d t o v a r y . T h ee x p a n d e d b l a d e a r e a r a t i o w a s s e t t o t h e d e s i g n v a l u e o f 0 . 6( d o c u m e n t e d i n [ 8 ] ) . T h e r e l a t i v e r o t a t i v e e f f i c i e n c y w a s a s -s u m e d t o b e 1 . 0 , c o n s i d e r i n g t h e a x i s y mm et r ic s h a pe o f t h e v e s -s e l ' s l o w e r h u l l s a n d t h e t a i l c o n e s l e a d i n g i n t o t h e p r o p e l l e rp l a n e s . T h e t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y w a s a s s u m e d t o b e 0 . 9 5 ,a c c o u n t i n g f o r l o s s e s i n t h e g e a r b o x a n d b e a r i n g s . F r o m t h e s ee f f i c i e n c i e s , t h e p r o p u l s i v e c o e f f i c i e n t ( P C ) w a s c a l c u l a t e d f o re a c h s p e e d o f i n t e r e s t . F i n a l l y , t h e S U P w a s c a l c u l a t e d u s i n gt h e c a l c u l a t e d e f f e c t i v e h o r s e p o w e r ( E H P , t h e p r o d u c t o f t h et o t a l r e s i s t a n c e a n d t h e v e s s e l s p e e d ) a n d t h e P C .F i g . 4 p r e s e n t s a v a l i d a t i o n a g a i n s t d a t a f r o m s e a t r i a l s [ 9 ] -o f t h e c a l c u l a t e d s p e e d - p o w e r c u r v e f o r t h e o r i g i n a l c o n f i g u r a -t i o n . G o o d a g r e e m e n t i s f o u n d b e t w e e n t h e c a l c u l a t i o n s a n d t h ed a t a , p r o v i d i n g c o n f i d e n c e i n t h e c a l c u l a t i o n s . F i g . 4 a l s o s h o w st h e p r e d i c t e d S U P c u r v e f o r t h e c u r r e n t c o n f i g u r a t i o n . A m o d i -f i c a t i o n w a s t h e n p r o p o s e d t o t h e c u r r e n t c o n f i g u r a t i o n , i n t h ef o r m o f t h e a d d i t i o n o f a c o n i c a l p l a t e f o r a s m o o t h e r e n l a r g e -m e n t o f t h e l o w e r h u l l s a t t h e bow ( F i g . 2 ) , s o a s t o r e d u c e t h ew a v e - m a k i n g r e s i s t a n c e a n d f o r m d r a g o f t h e h u l l .T h e r e i s l i t t l e d i f f e r e n c e i n t h e c a l c u l a t e d S U P b e t w e e n t h et h r e e c o n f i g u r a t i o n s u p t o a b o u t 8 . 5 k n o t s ( F i g . 4 ) . H o w e v e r ,b e t w e e n 8 . 5 a n d a b o u t 1 2 k n o t s , t h e p o w e r r e q u i r e d t o p r o p e lt h e v e s s e l i s s i g n i f i c a n t l y l o w e r f o r t h e c u r r e n t c o n f i g u r a t i o n ,c o m p a r e d w i t h t h e o r i g i n a l c o n f i g u r a t i o n ( e . g . , a b o u t 2 5 0 h p l e s sa t 1 0 k n o t s ) . T h e p r o p o s e d c o n f i g u r a t i o n ' s S U P c u r v e s h o w st h a t i t w o u l d h a v e t h e a d v a n t a g e o f a s l i g h t l y l o w e r r e q u i r e dS U P b e t w e e n 9 . 5 a n d 1 0 . 5 k n o t s . M o r e s i g n i f i c a n t l y , t h e h u m pi n t h e S U P c u r v e a t a b o u t 1 0 k n o t s w o u l d b e r em o v e d . T h e r e -f o r e , t h e p r o p o s e d m o d i f i c a t i o n may b e c on d uc iv e t o a f i x e d -p i t c h p r o p e l l e r s o l u t i o n a n d m e r i t s c o n s i d e r a t i o n .

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