Numerical Study on the Unsteady Characteristics of the Propeller Cavitation in Uniform and Nonuniform Wake Flows

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REPORT


tudy on the Unsteady Characteristics of the Propeller Cavitation in Uniform and Nonuniform Wake Flows GONG Zhao-xin, CHEN Ying, LI Jie*, CHEN Xin, LU Chuan-jing Key Laboratory of Hydrodynamics (Ministry of Education), School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China Received November 12, 2019; revised April 17, 2020; accepted May 24, 2020 ©2020 Chinese Ocean Engineering Society and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature Abstract Propeller  cavitation  is  a  problematic  issue  because  of  its  negative  effects,  such  as  performances  losses,  noise, vibration and erosion. Numerical methodology is an effective and efficient technical tool for the study of propeller cavitation,  however,  it  is  hard  to  capture  tip-vortex  cavitation  in  the  previous  work  by  using  common  turbulence models  based  on  turbulent-viscosity  hypothesis.  In  this  work,  the  Reynolds-Averaged  Naiver−Stokes  (RANS) approach, adopting the Reynolds stress turbulence model (RSM), is taken to study the unsteady characteristics of the cavitation on the four-bladed INSEAN E779A model propeller. The numerical simulation was carried out using the commercial CFD software ANSYS Fluent 14.0. One kind of uniform wake flow and two kinds of nonuniform wake flows are considered here. The results in the uniform flow show a good agreement with previous experimental results on both the sheet cavitation and the tip vortex cavitation and prove the ability of the RSM on capturing the tip vortex cavitation. Two kinds of nonuniform wake flows are designed based on the previous experimental researches and the unsteady  characteristics  of  the  propeller  cavitation  are  analyzed  by  comparing  the  results  in  the  uniform  and  two nonuniform wake flows together. Key words: propeller cavitation, wake flow, Reynolds stress model Citation: Gong, Z. X., Chen, Y., Li, J., Chen, X., Lu, C. J., 2020. Numerical study on the unsteady characteristics of the propeller cavitation in uniform and nonuniform wake flows. China Ocean Eng., 34(5): 688–696, doi: https://doi.org/10.1007/s13344-020-0062-0

1 Introduction Cavitation is usually inevitable for marine propellers under working  condition  and  the  cavity  generation  and   collapse and  its  unsteady  characteristics  can  cause   performance  losses,  structure  damage  and  other  problems.  Many works have  been  done  on  such  subjects  for  several   centuries. Arndt (1981), Kerwin (1986), Kumar and Saini (2010) generalized the fundamental concepts and influence factors in  their  review  papers.  Kinnas  (1996)  summarized  that  the propeller cavitation exhibits several forms, including bubble cavitation,  sheet  cavitation,  cloud  cavitation,  tip  vortex cavitation and so on. The sheet cavity dynamics and tip vortex  cavity  dynamics  are  the  main  source  of  vibration  and noise.  In  order  to  control  or  reduce  the  negative  effects  of the propeller  cavitation,  it  is  crucial  to  master  the   m