Analisi CFD sull'Influenza dello Skew sul Tip Vortex dell'Elica

Abstract

La cavitazione dei vortici al tip delle eliche marine rappresenta un fenomeno di notevole importanza nella propulsione e nell’architettura navale e, da decenni, continua a essere oggetto di approfonditi studi sperimentali e numerici. Essa può incidere in modo significativo sulle prestazioni propulsive, sul rumore irradiato e sulla durata dell’elica stessa, risultando quindi critica per diverse tipologie di unità navali ad alte prestazioni. La geometria dell’elica, in particolare lo skew delle pale, insieme alle condizioni operative, riveste un ruolo determinante nella formazione e nello sviluppo dei vortici. Il presente studio ha come obiettivo l’analisi dell’effetto benefico di differenti distribuzioni di skew sul picco di depressione all’interno dei vortici di estremità dell’elica, identificati come Leading edge Vortex (LEV), Local Tip Vortex (LTV) e Trailing Vortex (TRV). Le simulazioni di elica isolata sono state condotte mediante il software STAR-CCM+ (versione 2310.0001), con approccio RANS e modello di turbolenza k-ω SST. Le eliche considerate appartengono alla serie DTMB 438X -nello specifico i modelli 4381, 4382, 4383- caratterizzate da skew lineare dal piede di pala al tip, con valore massimo rispettivamente di 0°,36°,72°, e da parità di coefficiente di spinta in condizioni di progetto. Le geometrie CAD sono create e modificate tramite Rhinoceros. Dopo una prima simulazione in condizioni di progetto (J=0.889) e una a coefficiente di avanzo inferiore (J=0.7), sono state applicate nove differenti distribuzioni non lineari di skew all’elica 4381, successivamente simulate in entrambe le condizioni operative. Al fine di evitare che il rake indotto influisca sulla generazione e sull’evoluzione dei vortici, è stato annullato il rake in tutte le nove configurazioni. Le simulazioni sono poi state condotte nella condizione di carico elevato, in quanto caratterizzata dalla formazione delle tre strutture vorticose analizzate.

Tip vortex cavitation on marine propellers represents a phenomenon of considerable importance in naval propulsion and architecture. It has been the subject of extensive experimental and numerical investigations for several decades. It can significantly impact propulsive performance, radiated noise, and propeller life, thereby becoming a critical issue for various types of high-performance naval vessels. The propeller geometry — particularly the blade skew — together with the operating conditions, plays a key role in the formation and development of vortical structures. The present study aims to analyse the beneficial influence of different skew distributions on the negative pressure peak within the propeller tip vortices, identified as the Leading-Edge Vortex (LEV), Local Tip Vortex (LTV), and Trailing Vortex (TRV). The open-water propeller simulations were performed using STAR-CCM+ (version 2310.0001), adopting a RANS approach with the k–ω SST turbulence model. The investigated propellers belong to the DTMB 438X series, specifically models 4381, 4382, and 4383, characterized by a linear skew distribution from the blade root to the tip, with maximum values of 0°, 36°, and 72°, respectively, and by equivalent thrust coefficients under design conditions. The CAD geometries were created and modified using Rhinoceros. After an initial simulation under design conditions (J = 0.889) and another at a lower advance coefficient (J = 0.7), nine different nonlinear skew distributions were applied to propeller 4381 and simulated under both operating conditions. To prevent rake-induced effects from influencing the generation and evolution of the vortices, the rake was set to zero for all nine configurations. The simulations were finally carried out under the high-load condition, as it is characterized by the formation of the three vortical structures under investigation.