臺灣博碩士論文加值系統

本研究旨在透過調整JBC (Japan Bulk Carrier) 散裝貨輪船艉導罩支架，以計算流體力學方式在自推條件下進行模擬，分析搭載不同支架的JBC 船體周圍流場及阻力變化，設計最適合JBC船體的船艉導罩支架，提升節能裝置 (Energy Saving Devices ,ESDs) 效率。本研究以開源軟體 OpenFOAM 9 進行模擬，模擬條件依據Tokyo 2015研討會(Tokyo 2015 A Workshop on CFD in Ship Hydrodynamics)進行CFD模擬條件設計作為基準，以其實驗數值對比後續模擬結果，確認本研究模擬的一致性及可信性。
本研究依據Tokyo 2015研討會提供之船體模型建立網格，以提供之船艉導罩支架變換周向位置並分別進行阻力試驗，根據阻力模擬結果分析支架最佳周向放置位置。其後將導罩支架外型更換為NACA4420，將NACA4420支架依不同攻角擺放，透過帶有攻角的支架可使水流預旋改善螺槳入流速度及角度，並安裝轉動螺槳進行自推模擬，分析轉動螺槳與預旋導罩支架之關係。
為確保模擬結果可信，本研究根據ITTC 75-03-01-01中驗證與確認(Verification and Validation)方法來確保模擬的準確性及可靠性。將阻力模擬網格及自推模擬網格依據相同比例分別建立疏、中、密三套網格，透過驗證與確認流程確保模擬結果的準確性及可靠性。
本研究於阻力模擬結果證實，將支架設計於貼近船艉舭渦(bilge vortex)，即船艉兩側上方位置較佳，比起其餘位置最高產生1.17%減阻效果。自推模擬結果證實，以預旋導罩支架引導水流使其以螺槳轉動方向之反方向(本研究使用之MP687為順轉螺槳)預旋，可改善螺槳入流，增進螺槳效率。
本研究設計之右舷預旋導罩最佳設計為周向30∘、支架攻角-8∘預旋導罩，於Tokyo 2015實驗自推點和CFD模擬基準自推點時，相比JBC原導罩，分別產生2.08%及1.86%的減阻效果及3.67%及1.70%的輸出功率減少效果。左舷預旋導罩最佳設計為周向-30∘、支架攻角-8∘，具有1.89%的減阻效果及9.49%的輸出功率減少效果。
本研究結果通過驗證與確認流程，確認網格具有一致性以及可信性。

The purpose of this study is to design the most suitable PSD (pre-swirl duct) for JBC (Japan Bulk Carriers) by simulating the adjusted PSD using CFD under self-propulsion condition, enhancing the efficiency of energy saving devices (ESDs).
The simulations conducted by the open-source software OpenFOAM 9, the JBC model and simulation conditions were based on the Tokyo 2015 workshop on CFD in ship hydrodynamics(Tokyo 2015).
Uncertainty Analysis in CFD was confirmed through the V&V(verification and validation) process suggested by ITTC in this study. We use the experimental data provided by Tokyo 2015 for comparison to ensure the certainty and reliability of the study.
The optimal design of the starboard PSD in this study is placed in circumferential position of 30° and bracket angle of attack(AoA) of -8°. Compared to the original JBC ESDs, the optimal design achieves reductions in resistance up to 2.08% , and the reduction in output power up to 3.67%.
The optimal design of the port PSD is placed in circumferential position of -30° and a bracket AoA of -8°, resulting in a reduction in resistance of 1.89% and 9.49% in output power.

摘要 i
Extended Abstract ii
誌謝 x
目錄 xi
表目錄 xiii
圖目錄 xiv
符號 xvii
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 1
1.3 文獻回顧 2
第2章 理論背景 3
2.1 統御方程式 3
2.2 紊流模擬方法 3
2.3 RANS方法 4
2.4 SST k-ω模型 6
2.5 流體體積法 8
2.6 MRF多重参考系法 8
2.7 驗證及確認 10
第3章 以CFD改良導罩支架設計 13
3.1 船體及螺槳模型建立 13
3.2 預旋導罩及支架模型建立 15
3.3 船體及導罩網格建立流程 18
3.4 計算域及邊界條件設置 19
3.5 阻力模擬網格 25
3.6 自推模擬網格 25
第4章 模擬結果 32
4.1 阻力模擬 32
4.2 右舷預旋導罩自推模擬 36
4.3 驗證 46
4.4 裝設螺轂自推模擬 48
4.5 左舷預旋導罩自推模擬 51
第5章 結論 55
5.1 右舷預旋導罩最佳設計 55
5.2 左舷預旋導罩最佳設計 56
5.3 未來研究目標 57
參考文獻 58

[1] Tokyo 2015 A Workshop on CFD in Ship Hydrodynamics：
https://www.t2015.nmri.go.jp/index.html
[2] 張晉瑋，以CFD改善JBC散裝貨船船艉導罩的節能效果，國立成功大學系統
及船舶機電工程學系碩士論文，台南市(2020)
[3]Jennie Andersson et al. Ship-scale CFD benchmark study of a pre-swirl duct on KVLCC2. Applied Ocean Research. Volume 123. 103-134. June 2022.
[4]Nobuaki Sakamoto et al. Evaluation of hydrodynamic performance of pre-swirl and post-swirl ESDs for merchant ships by numerical towing tank procedure. Ocean Engineering. Volume 178. Pages 104-133. 15 April 2019.
[5] ITTC-Quality Manual 7.5-03-01-01, CFD General. Uncertainty Analysis in CFD Verification and Validation Methodology and Procedures. ITTC Recommemded Procedures and Guidelines, 2017.
[6]ITTC-Quality Manual 7.5-03-02-03, CFD General. Practical Guidelines for Ship
CFD Applications. ITTC Recommended Procedures and Guidelines, 2011.
[7] 王昱程，JBC散裝貨輪在有無節能裝置下的CFD自推模擬，國立成功大學系統
及船舶機電工程學系碩士論文，台南市(2022)