Computational and Empirical Investigation of Propeller Tip Vortex Cavitation Noise

Abstract

Dans cette étude, l'écoulement non cavitant et cavitant autour de l'hélice de référence du modèle DTMB 4119 est résolu à l'aide de solveurs visqueux et à base de potentiel. Les bruits rayonnés par les hélices cavitantes et non cavitantes sont ensuite prédits en utilisant une méthode hybride dans laquelle les équations RANS (Navier-Stokes à moyenne de Reynolds) et FWH (Ffowcs Williams Hawkings) sont résolues ensemble dans des conditions d'eau libre. La cavitation en feuille sur les pales de l'hélice est modélisée en utilisant une méthode VOF (Volume de Fiuld) équipée du modèle de cavitation Schnerr-Sauer. Néanmoins, le bruit de cavitation du vortex de pointe est estimé en utilisant deux techniques semi-empiriques différentes, à savoir l'indice de vortex de pointe (TVI, basé sur la théorie de l'écoulement potentiel) et la contribution du vortex de pointe (TVC). Comme la distance de référence entre la source de bruit et le récepteur n'est pas définie dans le cas de l'eau libre pour la technique TVI, l'un des résultats de cette étude est de proposer une distance de référence pour la technique TVI en couplant deux techniques semi-empiriques et la normalisation de la distance ITTC. À la distance définie, le point de départ de la cavitation du tourbillon d'extrémité est déterminé pour différents rapports d'avancement et nombres de cavitation à l'aide d'un solveur d'écoulement potentiel. En outre, il est examiné si le procédé hybride et le solveur d'écoulement potentiel donnent les mêmes résultats de bruit au point de départ de la cavitation du tourbillon de pointe. Les résultats montrent que la méthode TVI basée sur la théorie de l'écoulement potentiel est fiable et peut pratiquement être utilisée pour remplacer la méthode hybride (RANS avec approche FWH) lorsque la cavitation par vortex de pointe commence.En este estudio, el flujo no cavitante y cavitante alrededor de la hélice modelo DTMB 4119 de referencia se resuelven utilizando solucionadores viscosos y basados en potencial. Los ruidos irradiados por hélices cavitantes y no cavitantes se predicen utilizando un método híbrido en el que las ecuaciones RANS (Navier-Stokes promediado por Reynolds) y FWH (Ffowcs Williams Hawkings) se resuelven juntas en condiciones de aguas abiertas. La cavitación de la lámina en las palas de la hélice se modela utilizando un método VOF (Volumen de Fiuld) equipado con el modelo de cavitación Schnerr-Sauer. Sin embargo, el ruido de cavitación del vórtice de la punta se estima utilizando dos técnicas semi-empíricas diferentes, a saber, el Índice de Vórtice de la Punta (TVI, basado en la teoría del flujo potencial) y la Contribución del Vórtice de la Punta (TVC). Como la distancia de referencia entre la fuente de ruido y el receptor no está definida en el caso de aguas abiertas para la técnica TVI, uno de los resultados de este estudio es proponer una distancia de referencia para la técnica TVI mediante el acoplamiento de dos técnicas semi-empíricas y la normalización de la distancia ITTC. A la distancia definida, el punto de partida de la cavitación del vórtice de la punta se determina para diferentes relaciones de avance y números de cavitación utilizando el solucionador de flujo potencial. Además, se examina si el método híbrido y el solucionador de flujo potencial dan los mismos resultados de ruido en el punto de inicio de la cavitación del vórtice de la punta. Los resultados muestran que el método TVI basado en la teoría del flujo potencial es confiable y prácticamente se puede usar para reemplazar el método híbrido (RANS con enfoque FWH) cuando comienza la cavitación del vórtice de la punta.In this study, non-cavitating and cavitating flow around the benchmark DTMB 4119 model propeller are solved using both viscous and potential based solvers. Cavitating and non-cavitating propeller radiated noises are then predicted by using a hybrid method in which RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) and FWH (Ffowcs Williams Hawkings) equations are solved together in open water conditions. Sheet cavitation on the propeller blades is modelled by using a VOF (Volume of Fiuld) method equipped with Schnerr-Sauer cavitation model. Nevertheless, tip vortex cavitation noise is estimated by using two different semi-empirical techniques, namely Tip Vortex Index (TVI, based on potential flow theory) and Tip Vortex Contribution (TVC). As the reference distance between noise source and receiver is not defined in open water case for TVI technique, one of the outputs of this study is to propose a reference distance for TVI technique by coupling two semi-empirical techniques and ITTC distance normalization. At the defined distance, the starting point of the tip vortex cavitation is determined for different advance ratios and cavitation numbers using potential flow solver. Also, it is examined that whether the hybrid method and potential flow solver give the same noise results at the inception point of tip vortex cavitation. Results show that TVI method based on potential flow theory is reliable and can practically be used to replace the hybrid method (RANS with FWH approach) when tip vortex cavitation starts.في هذه الدراسة، يتم حل التدفق غير التجويف والتجويف حول المروحة المعيارية DTMB 4119 باستخدام كل من آلات الحل اللزجة والمحتملة. يتم بعد ذلك التنبؤ بالضوضاء المشعة الناتجة عن التجويف وغير الناتجة عن التجويف باستخدام طريقة هجينة يتم فيها حل معادلات RANS (متوسط رينولدز Navier - Stokes) و FWH (Ffowcs Williams Hawkings) معًا في ظروف المياه المفتوحة. تم تصميم تجويف الألواح على شفرات المروحة باستخدام طريقة VOF (حجم فيولد) المجهزة بنموذج تجويف Schnerr - Sauer. ومع ذلك، يتم تقدير ضوضاء تجويف دوامة الطرف باستخدام تقنيتين مختلفتين شبه تجريبيتين، وهما مؤشر دوامة الطرف (TVI، بناءً على نظرية التدفق المحتمل) ومساهمة دوامة الطرف (TVC). نظرًا لعدم تحديد المسافة المرجعية بين مصدر الضوضاء والمستقبل في حالة المياه المفتوحة لتقنية TVI، فإن أحد مخرجات هذه الدراسة هو اقتراح مسافة مرجعية لتقنية TVI من خلال اقتران تقنيتين شبه تجريبيتين وتطبيع مسافة ITTC. عند المسافة المحددة، يتم تحديد نقطة بداية التجويف الدوامي الطرفي لنسب التقدم المختلفة وأرقام التجويف باستخدام آلة حل التدفق المحتملة. أيضًا، يتم فحص ما إذا كانت الطريقة الهجينة وآلة حل التدفق المحتملة تعطيان نفس نتائج الضوضاء عند نقطة بداية التجويف الدوامي الطرفي. تظهر النتائج أن طريقة TVI القائمة على نظرية التدفق المحتمل موثوقة ويمكن استخدامها عمليًا لاستبدال الطريقة الهجينة (RANS بنهج FWH) عندما يبدأ التجويف الدوامي للطرف.