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Hydrodynamic Optimization of a torpedo-shaped hull
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e Tecnologias | por |
| dc.contributor.advisor | Brojo, Francisco Miguel Ribeiro Proença | |
| dc.contributor.advisor | Figueiredo, Paulo de Vasconcelos | |
| dc.contributor.author | Bartolomeu, Tiago Correia | |
| dc.date.accessioned | 2018-11-13T16:06:14Z | |
| dc.date.available | 2018-11-13T16:06:14Z | |
| dc.date.issued | 2016-11-22 | |
| dc.date.submitted | 2016-10-10 | |
| dc.description.abstract | Nowadays, it is not fully clear how the Ocean seabed can contribute to Earth ecosystems. However, several steps are being taken to completely understand Ocean’s seabed. Lately, many methods are being developed to explore the Oceans, although there is one method which fulfill the desired trade-off (between low operational costs and high quality data collection). This efficient method developed to explore the Ocean’s depth is known as submarine vehicles, and the most efficient of them, to explore and mapping, is certainly the Autonomous Underwater Vehicle (AUV). The increasing use of AUV’s is leading to a point in which its design parameters are crucial. Characteristics as high endurance, long operation time, high maneuverability and range are demanded at an early design stage; thus, it is essential to find an optimum hull shape design to improve these characteristics. This thesis presents the effect of hydrodynamic forces of axisymmetric underwater vehicles through the variation of the shape of a torpedo-shaped hull body. Furthermore, this thesis is intended to analyze, experimentally, the length-to-Diameter (D) ratios of nose (N) and tail (T), as well as its shapes, in order to find the optimum ratios and shape combinations for the minimization of Drag. The experimental tests were conducted in the towing tank of the University of Beira Interior (UBI). However, due to the Towing Tank dimensions, the development of a scaled model had to be made. A similarity between the scaled model and the full-scale prototype must be done to assume similar flow conditions. Several torpedo-shaped combinations were tested experimentally and further validated the numerical simulations. Moreover, parameters such as the pitch angles (or Angle of Attack (AoA)) [0 - 20°] and velocities [0.50 – 1 m/s] were investigated to understand their influence on the hydrodynamic Drag. The experimental setup is hereby fully described, showing the various procedures adopted until the data collection phase. A strain gauge system (load cell) was used to measure the Drag induced by the hull body. Experimental results demonstrate an optimum configuration for N/D = 0.8 (Elliptical shape) and T/D = 1.6 (Conical shape). From the experimental and numerical data, it could be seen that the Drag increases with the increase of velocity. Same occurrence happens for AoA, where Drag increases with higher AoA’s. Therefore, it can be concluded that the influence of AoA on Drag is higher for greater velocities. The experimental measurements have been used to validate results obtained from a Computational Fluid Dynamics (CFD) software that uses Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) equations (ANSYSTM FLUENT). A mesh-independency study was made to investigate two turbulence models: Standard ?-e and ?-? SST models. Standard ?-e showed to be the most appropriate model to this study with a lower computational cost. Results between Experimental and Numerical methods showed a good agreement, considering the conditions mentioned. | eng |
| dc.description.abstract | Hoje em dia, não é ainda completamente claro de que maneira o fundo dos oceanos podem contribuir para os Ecossistemas da Terra. Contudo, vários esforços estão a ser feito para compreender em profundidade os fundos marinhos dos Oceanos. Atualmente, o método mais eficiente, já desenvolvido, para explorar a profundeza dos oceanos é conhecido como veículos submarinos, e especificamente, o mais eficiente para pesquisa e exploração destes é conhecido como Veículo Autónomo Subaquático (AUV). O aumento do uso de AUV’s tem levado a um ponto em que os parâmetros de projeto são cruciais. Características como a resistência ao avanço, o alto tempo de operação, a grande manobrabilidade e o grande alcance são exigidos numa fase primária de projeto; desta forma, é fundamental encontrar uma forma ótima do corpo hidrodinâmico, ainda durante a fase de projeto, ambicionando melhorar as suas características. Esta dissertação apresenta o efeito das forças hidrodinâmicas de veículos subaquáticos axi- simétricos através da variação da forma de um corpo em forma de torpedo. Além disso, nesta dissertação pretende-se ainda analisar, experimentalmente, os rácios comprimento/diâmetro do nariz e da cauda do corpo, assim como as suas formas, para que seja possível os rácios e combinação ótimos do ponto de vista da minimização da resistência ao avanço. Os testes experimentais foram feitos num tanque de água da Universidade da Beira Interior (UBI). No entanto, devido às dimensões do tanque de água, o desenvolvimento de um modelo à escala foi a opção mais viável. Uma similaridade entre o modelo à escala e o protótipo foi feita para garantir as mesmas condições de escoamento entre ambos. Várias combinações foram testadas experimentalmente e seguidamente validadas por simulações numéricas. Adicionalmente, parâmetros como o ângulo de ataque (de 0 - 20°) e a velocidade (entre 0.50 – 1 m/s) foram alterados para perceber a sua influência na resistência hidrodinâmica. A preparação experimental é totalmente descrita, mostrando vários procedimentos adotados até à fase de recolha de dados. Um sistema de tensão/compressão (célula de carga) foi utilizado para medir a resistência induzido pelo corpo. Os resultados experimentais demonstraram uma configuração ótima que se situa nas proximidades de N/D = 0.8 (Forma Elítica) e T/D = 1.6 (Forma Cónica). Pode ser visto que a resistência aumenta com o aumento da velocidade. Da mesma forma para os ângulos de ataque, a resistência aumenta para ângulos de ataque maiores. Os dados experimentais foram usados para validar os resultados obtidos de um software CFD que usa as equações RANS. Um estudo de independência da malha foi feito para investigar dois modelos turbulentos: Modelos Standard ?-e e ?-? SST. O modelo turbulento Standard ?-e mostrou ser o mais apropriado para este estudo com um menor custo computacional. Os resultados entre os métodos experimentais e numéricos mostraram uma boa concordância, considerando as condições mencionadas. | por |
| dc.identifier.tid | 201772523 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.6/6361 | |
| dc.language.iso | eng | por |
| dc.subject | Cauda | por |
| dc.subject | Dinâmica de Fluídos Computacional (Cfd) | por |
| dc.subject | Força de Resistência Ao Avanço | por |
| dc.subject | Hull Body | por |
| dc.subject | Modelos Turbulentos | por |
| dc.subject | Nariz | por |
| dc.subject | Totalmente Submerso | por |
| dc.subject | Veículo Autónomo Subaquático (Auv) | por |
| dc.title | Hydrodynamic Optimization of a torpedo-shaped hull | por |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| rcaap.rights | openAccess | por |
| rcaap.type | masterThesis | por |
| thesis.degree.name | Mestrado Integrado em Engenharia Aeronáutica | por |
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