Development of a Wind-Assisted Propulsion System Using Boundary Layer Suction with CFD Method

Öz

The International Maritime Organization (IMO) establishes a roadmap to put into force new regulations in the context of reducing greenhouse gas emissions from ships and presents new parameters such as Energy Efficiency Design Index (EEDI), Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI) and Carbon Intensity Indicator (CII). The regulations issued by IMO require emission reductions at specific time intervals in a progressive manner. Ship design approaches, propulsion systems used on ships, and ship operating profiles are changing along with these regulations. However, it does not seem possible to comply with the regulations demanding a gradual reduction in emissions in the long term with the above changes. Innovative technologies such as wind-assisted propulsion systems which have a very high potential in this manner need to be developed to keep maritime trade competitive and reduce emissions. Devices utilizing boundary layer suction are also among the alternatives that generate high lift in wind-assisted propulsion systems. In this study, the effects of design parameters on aerodynamic performance for a wing structure are investigated by using the boundary layer suction technique with Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) method. First, the suitability of the numerical approach with a grid independence study is assessed for predicting the aerodynamic performance of the suction wing, followed by the validation study with the experimental data found in the literature. Flap angle and the extent of the suction area has been varied parametrically and the effect of the variation of these parameters on the aerodynamic performance has been investigated.

Anahtar Kelimeler

• Boundary layer suction
• CFD
• wind-assisted propulsion
• aerodynamics
• turbo-sail

HAD Metodu ile Sınır Tabaka Emme Tekniği Kullanılan Rüzgar Destekli Sevk Sistemi Geliştirilmesi

Öz

Gemi kaynaklı sera gazı emisyonlarının azaltılması kapsamında Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) tarafından Enerji Verimliliği Tasarım Endeksi (EEDI), Enerji Verimliliği Mevcut Gemi Endeksi (EEXI), Karbon yoğunluk Göstergesi (CII) gibi kavramlar ortaya çıkartılmış ve önümüzdeki süreçte sera gazı emisyonlarının azaltılması için bir yol haritası belirlenerek kurallar yürürlüğe sokulmuştur. IMO tarafından yürürlüğe sokulan kurallar belirli periyotlarda emisyonların azaltılmasını gerektirmektedir. Bu kapsamda tasarım yaklaşımları, gemilerde kullanılan sevk sistemleri ve seyir sürat profilleri değişmektedir. Ancak, bahsi geçen değişimlerile uzun vadede emisyonların kademeli olarak azalmasını talep eden kurallara uyulabilmesi mümkün gözükmemektedir. Uzun vadede deniz ticaretinin rekabetçi bir şekilde sürdürülebilmesi ve emisyonların azaltılabilmesi için innovatif teknolojilerin geliştirilmesi gerekmekte olup rüzgar destekli sevk sistemleri bu konuda oldukça yüksek potansiyele sahiptir. Sınır tabaka emme tekniği kullanılan kanatlar da rüzgar destekli sevk sistemleri içerisinde yüksek kaldırma kuvveti yaratan alternatifler arasında bulunmaktadır. Bu çalışmada, sınır tabaka emme tekniği kullanılan bir kanat yapısı için tasarım parametrelerinin aerodinamik performansa etkileri Reynolds Averajlı Navier Stokes (RANS) metodu ile incelenmiştir. Öncelikle, hesaplamalı yaklaşımın çözülen probleme uygunluğu ağdan bağımsızlık çalışması ile irdelenmiş, takiben literatürde bulanan deneysel veriler ile doğrulama çalışması icra edilmiştir. Üretilen kaldırma kuvvetinin mertebesine doğrudan etkisi bulanan flap açısı ve sınır tabaka emme bölgesinin açısal konumu ile ilgili parametrik çalışma icra edilerek optimum konumlar tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Sınır tabaka emme
• HAD
• Rüzgar destekli sevk
• turbo-yelken
• aerodinamik

Kaynakça

1. ANSYS (2013). Ansys CFX Solver Modelling Guide. Canonsburg: ANSYS, Inc.
2. Bockmann, E., Steen, S. (2011). Wind turbine Propulsion of Ships. Second International Symposium on Marine Propulsors (SMP 11). Hamburg, Almanya, 17-18 Haziran 2011.
3. Charrier, B., Constans, J., Cousteau, J., Daif, A., Malavard, L., Quinio, J. (1985). Foundation Cousteau and Windship Propulsion 1980-1985 System Cousteau Pechiney. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, (20), 39-60.
4. Czermanski, E., Jastrząbek, A.O., Spangenberg E.F., Kozłowski, Ł., Adamowicz, M., Jankiewicz, J., Cirella, G.(2022) Implementation of the Energy Efficiency Existing Ship Index: An important but costly step towards ocean protection. Marine Policy (145).
5. En.wikipedia.org/wiki/Alcyone_%281985_ship%29, [Erişim 18.11.2022].
6. en.wikipedia.org/wiki/USA_17, [Erişim 18.11.2022].
7. fr.cousteau.org/turbovoile.php, [Erişim 18.11.2022].
8. Guerri, O., Liberge, E., Hamdouni, A. (2016). Numerical Simulation of the Turbulent Flow Around an Oval-Sail. Journal of Applied Fluid Mechanics (9) 2009-2023.

9. Hcini, C., Abidi, E., Kamoun, B., Afungchui, D. (2017). A Turbosail Profile Analysis Code Based on the Panel Method. Energy, (118), 147-155.
10. https://www.sail-world.com/news/235003/DynaRig-by-Southern-Spars-on-two-superyachts, [Erişim 18.11.2022].
11. IMO (2011). IMO and the Environment. https://www.imo.org/en/OurWork/Environment/Pages/De]fault.aspx [Erişim 03.12.2022].
12. IMO (2012). IMO Train the Trainer Course, Module 2: Ship Energy Efficiency Regulation and Related Guidelines. Londra. Ocak 2016.
13. IMO (2022a). Rules on ship carbon intensity and rating system enter into force. Rules on ship carbon intensity and rating system enter into force (imo.org). [Erişim 03.12.2022].
14. IMO (2022b). MEPC 78/1/Add.1 Annex 12: 2022 Guidelines on the Method of Calculation of the Attained Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI). 10 Haziran 2022.
15. ITTC (2017). Uncertainty Analysis in CFD Verification and Validation Methodology and Procedures, 7.5-0.3-01-01. https://www.ittc.info/media/8153/75-03-01-01.pdf [Erişim 29.07.2022].
16. Lindstad, E., Stokke, T., Alteskjær, A., Borgen, H., Sandaas, I. (2022) Ship of the future – A slender dry-bulker with wind assisted propulsion. Marine Transport Research (3).
17. loc.gov/item/2014717912/, [Erişim 18.11.2022].
18. Low, H. T., Luo, S. C., Winoto, S. H. (1991). Flow Past a Wind-Assisted Ship Propulsion Device. Ocean Engn, (18), 555-565.
19. Saydam, A.Z., Küçüksu, G. N., İnsel, M., Gökçay, S. (2022). Investigation of the Influence of Wind-Assissted Propulsion Devices on Hull Design. Sustainable Development and Innovations in Marine Technologies, Taylor and Francis, London.
20. Yihuai, H., Taiyou, W., Yongli, L. (2017). Numerical Simulation and Kinetic Analysis of Turbine Sail. Journal of Energy and Power Engineering, (11), 127-134).