プロペラまわり流れの数値計算法に関する研究

プロペラまわり流れの数値計算法に関する研究プロペラまわり流れの数値計算法に関する研究船舶海洋工学科　船舶コース 80392　八巻陽彦

研究背景 従来の舶用プロペラの設計法ポテンシャル理論に基づく理論計算と模型試験問題点粘性の影響非線型性ナビエ・ストークス方程式に基づく数値計算による設計が必要であるが、計算を行う際の前処理の困難さと精度の問題からまだCFDを用いての計算は一般的ではない。

研究目的 シャフト・ボスを含んだプロペラ幾何形状が複雑であり、 CADで完全に三次元形状を再現することが困難舶用プロペラ周り流れの数値シミュレーションを行うための計算格子生成法を検討する。特に、前処理の手順の確立、及び格子解像度とプロペラ性能の予測精度との関係を検討する。

従来の研究との比較 プロペラ周り流れへのCFDの適用例として以下が有る。 • 宇都ら（１９９２） • 舩野（２００１）しかし、構造格子や部分的構造格子を用いているため、格子生成が困難であった。そこで、本研究では、複雑形状まわりの格子生成が容易である完全四面体格子を採用した。さらに、解像度が必要なところに格子を集めるために、「解適合格子法」を導入した。

解適合格子とは • 計算結果を利用して、解像度向上の必要な場所に充分細かい格子が配置されるように、分割し直す格子。 • 翼端渦などは、細かく分割すべき場所を事前に予測しにくいので、解適合格子は特に有効。

当発表の流れ １．検証実験２．数値計算３．まとめ

検証実験 キャビテーションタンネルにて • プロペラ単独性能試験 • キャビテーションの観察主流主流

プロペラ模型の主要目 ConventionalPropeller

実験の条件 一様流中でプロペラを回転させ、圧力一定の下、流速を変化させて推力・トルクを計測 • プロペラ回転数n=25[rps] • プロペラレイノルズ数Rn= =1.1×10６ • タンネル減圧により、 σn= =1.0まで7通り • それぞれのにσnについて、流速を系統的に変化 • 流速は、前進係数Jが0.05ずつ増すように調節

実験結果(プロペラ単独性能)

sn=1.5のとき • キャビテーションが発生しているが、推力低下はわずかである。 J=0.209 J=0.399 J=0.609

実験結果のまとめ キャビテーションは推力に影響を及ぼす事がわかるが、キャビテーションを入れた計算は現在、時間がかかる上に計算も合っていない本研究では、非キャビテーション状態のみを数値計算する。

数値計算 使用ソフトウェア

3次元CADによるモデリング 一般にプロペラ形状は、迎角に沿った螺旋座標系で表されている（オフセットデータ） CADに読み込むために直交座標系へ変換する

半径rにおける螺旋座標系(s,n) n 2πa(ｒ) rθ 2πｒ s x

座標変換 螺旋座標系　⇒　円筒座標系　⇒　直交座標系

CAD内で完成した三次元形状 翼・ボス・シャフトを別個に作成立体の演算により一体化 STEP形式で出力する

計算領域と境界条件の定義 4分の1対称領域 3R

格子分割(翼面) 最小格子の大きさ (翼端)

格子分割(全体) 最大格子の大きさ (流入面)

Fluent推奨の計算条件(計算1) 四面体、非構造格子に分割

計算結果(計算1) 誤差大（J=0.6で推力12%、トルク47%の誤差）

圧力分布(計算1)

計算条件の改良(計算2) • 圧力勾配による解適合格子を生成 • 計算条件を以下のように変更

計算結果(計算2) 誤差の低減に成功（J=0.6で　　推力の誤差12%⇒3% 　トルクの誤差47%⇒19%）

翼端渦(J＝0.6) 計算1 計算2 翼端渦の解像精度向上

まとめ① • CFD計算精度の検証・向上の為の検証データを実験により取得 • オフセットデータで与えられるプロペラ形状を3次元ソリッドモデルに変換する手順を明確化

まとめ② Fluentの推奨する条件を用い、Gambitで格子生成、Fluentにより数値計算 • 推力係数 12%の誤差 • トルク係数 47%の誤差

まとめ③ 　次に、以下のように改良して計算 • 格子の解適合分割 • 乱流モデルをRNGk-εに変更 • 運動量方程式の対流項のスキームをQUICKに変更 • 推力係数誤差12%⇒3% • トルク係数誤差47%⇒19%

今後の課題 • 誤差を半減できたものの、トルク係数の誤差がまだ19%。格子解像度の不足が原因と考えられる。 • 格子解像度の不足している場所は、 • 翼面近傍の境界層（薄い三角柱の格子が必要） • 下流側に放出された渦 • 解適合を解が収束するまで行う

プロペラまわり流れの 数値計算法に関する研究