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

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 نیکلآلومینیوم 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 نیکلآلومینیوم 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.

Numerical Simulation of the Propeller Vibration of a Marine Vessel using FluidStructure Interaction (FSI) Analysis

Propellerinduced 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 nickelaluminum 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.