NUMMER 05 I 23 DECEMBER


15


Mathematicians from Delſt, the Netherlands, help design ultimate propeller blade


What do marine propellers, aircraſt engines, water turbines, and screw machines have in common? They all convert mechanical energy into movement of a substance or material, or the other way around. But what is the ideal shape of a blade? The European MOTOR programme is using a new mathematical method to answer this question.


MIRJAM STREEFKERK


Designing an efficient marine propeller is no sinecure. For every hull’s shape, there is another optimum propeller shape, because the inflow of water is strongly affected by the hull. And there are many variables besides: the larger the shape of the blade, the less cavitation and vibration it will show - less resistance, in other words - and the more efficient it will be. That is why designing such a propeller takes a long time. “Yield, strength, fatigue, the propeller’s pressure on the hull, noise, castability, weight, forces in the adjustment mechanism of adjust- able screws, the effects of navigating through ice - the many different requirements of a propeller make designing a complicated task”, Maarten Flikkema, project manager with maritime research institute MARIN, stated. The institute has around eighty years of experience in designing marine propellers. “Obviously, the best design tools will provide the best results; however, these also require considerably more calculation time and are, therefore, as yet unsuitable for use in this case. It may take up to a week to make all calculations for a ship with rotating propeller”.


Or, as the press release of the MOTOR project formulates it: ‘with the present design tools it is virtually impossible to find the best compromise for all criteria’. This project, according to the Delſt University of Technol- ogy, intends to optimise the design process for aircraſt engines, marine propellers, water turbines, and screw machines, by making use of advanced mathematical methods. MARIN has joined the project as a partner.


Isogeometric analyses The idea for the project comes from Matthias Möller, university professor Numerical Mathematics at the Delſt University of Technology. In Dortmund, where he used to be employed by the University of technology until a few years ago, he had already observed that some of his colleagues from the mechanical engineering department were involved in the design of improved marine propellers. “A minor adjustment to the complex form of two rotors may substantially affect the performance of a screw machine. If traditional files from CAD tools and standard simulation and optimisation technologies are applied, manual adjustments will still be necessary. These take up valuable time and are not always very accurate”, the mathemati- cian explained. “For some time, I had been dallying with the idea of using advanced numerical methods to tackle this problem and largely automate the design process by using models”. To achieve this, the mathematician intends to use a relatively new numerical solution method: isogeometric analysis. “Using this method, it becomes possible to apply a model of geometry that was parametrised using NURBS (a mathematical model to


produce images on a computer, such as is used for CAD methods, MS) to obtain an accurate numerical simulation and optimisa- tion of design, without human intervention”.


Physical laws For each of the four types of screws, an industrial partner and a research partner have joined the European project, to which the EU has made 4.3 million Euros available. Where the marine propellers are concerned, these are the parties MARIN and the marine- propeller manufacturer Caterpillar. “The whole design process is of such complexity that close collaboration among industry, research institutions, and universities is essential”, Flikkema said. “In MOTOR, each of these parties is represented”. Möller: “The parties will actually be producing and researching what the differences are between the simulated results based on the new soſtware and reality”. The objective of the study is to not only design better propellers, but also to shorten the design process by fiſty percent, Möller stated. He and his colleagues have already started calculating. “We are now gathering all equations and putting all physical laws in a kind of algorithm”. When this first part of the process is completed, the partners will be able to start using the calculations.


Open source For the mathematical description of the fluid mechanics, MARIN is now using the RANS and BEM models, whereby the first one is highly accurate, but requires a lot of calculation time, and the latter is less accurate, and is therefore oſten used for the first sketches of the design. According to Flikkema, it is by no


means his intention to discard MARIN’s many decades of design experience. Flikkema: “The project is particularly focussed on the automated definition of the shapes of the blades. It would be one step too many where we’re concerned. There will always be some manual work required. However, we do want to deploy the more complex tools that arise from the study at an earlier stage in the design process. In three years’ time, we want to have more insight in the application of RANS and BEM methods in smarter ways”. The participating parties will become the owners of the results of the studies. “How- ever, the knowledge and the results devel- oped will be shared with industry and science on a broad scale. This way, non-participating parties will also be able to benefit from the results of the study”.


The official start of the three-year MOTOR project, which is coordinated by Matthias Möller, university professor Numerical Mathematics, and Wendy Murtinu-van Schagen, project manager with the Delſt Institute of Applied Mathematics (DIAM) of the Delſt University of Technology, took place in September of this year. The consortium comprises the following partners: Caterpillar Propulsion, ESS Engineering Soſtware Steyr GmbH, Universität Linz, Stichting Maritiem Research Instituut Nederland (MARIN), Mavel As, MTU Aero Engines, Technische Universität Dortmund, Technische Universität Kaiserlautern, von Karman Institute of Fluid Dynamics, and the Delſt University of Technology. www.motor-project.eu


Delſtse wiskundigen helpen mee het ultieme propellerblad te ontwerpen


Scheepsschroeven, vliegtuigmotoren, waterturbines en schroefmachines hebben met elkaar gemeen dat ze mechanische energie omzetten naar beweging van een vloeistof, of omgekeerd. Maar wat is nu de ideale vorm van de propellers? Het Europese MOTOR-programma gebruikt een nieuwe wiskundige methode om een antwoord te vinden op deze vraag.


MIRJAM STREEFKERK


Het ontwerpen van een efficiënte scheeps- schroef is geen sinecure. Voor elke rompvorm heeſt de schroef bijvoorbeeld een andere optimale vorm, doordat de romp de instro- ming van het water in de schroef sterk beïnvloedt. Dan zijn er nog tal van andere variabelen: hoe groter de bladvorm, hoe minder last je hebt van cavitatie en trilling, hoe smaller het schroefblad, hoe minder weerstand je hebt en hoe efficiënter hij dus is. Niet voor niets is er voor het ontwerpen van zo’n schroef veel tijd nodig. “Rendement, sterkte en vermoeiing, de druk van de schroef op de romp, geluid, gietbaar- heid, gewicht, krachten in het verstelmecha- nisme van verstelbare schroeven, het effect van varen in ijs: het totaal aan eisen aan een schroef maakt dat het ontwerpen ervan een lastig geheel is”, vertelt Maarten Flikkema, projectmanager bij maritiem onderzoeksin- stituut MARIN. Het instituut heeſt al zo’n tachtig jaar ervaring met het ontwerpen van scheepsschroeven. “De beste ontwerptools geven betere resultaten maar vragen aanzienlijk meer rekentijd en zijn daarom nu nog niet geschikt om mee te ontwerpen. Een schip met draaiende schroef doorrekenen kan bijvoorbeeld zo een week duren”. Of, zoals het persbericht van het MOTOR-


project het formuleert: met de huidige ontwerptools is het nagenoeg onmogelijk het beste compromis te vinden voor alle criteria. Dit project, waarvan de TU Delſt penvoerder is, wil het ontwerpproces van vliegtuigmoto- ren, scheepsschroeven, waterturbines en schroefmachines optimaliseren door gebruik te maken van geavanceerde wiskundige methoden. MARIN heeſt zich als partner bij dit project aangesloten.


Isogeometrische analyses Het idee voor het project is afkomstig van Matthias Möller, universitair docent Nume- rieke Wiskunde aan de TU Delſt. In Dortmund, waar hij tot een paar jaar geleden werkte aan de technische universiteit, had hij eerder al gezien dat enkele van zijn collega’s van de afdeling Werktuigbouwkunde bezig waren met het ontwerpen van verbeterde scheeps- schroeven. “Een kleine aanpassing van de complexe vorm van de twee rotors kan al veel invloed hebben op de prestaties van een schroefmachine. Met de traditionele bestan- den uit CAD-tools en de standaard simulatie- en optimalisatietechnieken zijn er vaak nog handmatige aanpassingen nodig, maar die kosten tijd en zijn niet altijd nauwkeurig”, vertelt de wiskundige. “Ik liep al een tijdje rond met het idee om geavanceerde nume- rieke methoden te gebruiken om dit pro- bleem aan te pakken en om met modellen het ontwerpproces voor een groot deel te automatiseren”. De wiskundige wil hiervoor een relatief nieuwe numerieke oplossingsmethode gebruiken, isogeometric analysis. “Met deze methode wordt het mogelijk om zonder tussenkomst van de mens de vertaalslag te maken van een met NURBS geparametriseerd model (een wiskundig model voor het maken


van beelden op de computer, dat onder meer in CAD gebruikt wordt, MS) van de geometrie naar de nauwkeurige numerieke simulatie en optimalisatie van het ontwerp”.


Natuurkundige wetten Voor elk van de vier soorten schroeven heeſt zich een industriële partner en een onder- zoekspartner aangesloten bij het Europese project, waarvoor de EU 4,3 miljoen euro beschikbaar heeſt gesteld. Voor de scheeps- schroeven zijn die partijen MARIN en scheepsschroefproducent Caterpillar. “Het hele ontwerpproces is zo complex dat een nauwe samenwerking tussen industrie, onderzoeksinstituten en universiteit onont- beerlijk is”, zegt Flikkema. “In MOTOR zijn al die partijen aanwezig”. Möller: “Deze partijen gaan straks daadwerkelijk produceren en onderzoeken wat de verschillen zijn tussen de op basis van de nieuwe soſtware gesimuleer- de resultaten en de werkelijkheid”. Het doel is om aan het eind van het onderzoek niet alleen betere schroeven te kunnen ontwer- pen, maar ook het ontwerpproces met vijſtig procent te hebben verkort, aldus Möller. Hij en zijn collega’s zijn inmiddels aan het rekenen geslagen. “We zijn nu alle vergelijkin- gen op papier aan het zetten en alle natuur- kundige wetten in een soort algoritme aan het stoppen”. Als dit eerste deel van het proces straks afgerond is kunnen de partners de berekeningen gaan gebruiken.


Open source Voor de wiskundige beschrijving van de vloeistofmechanica gebruikt MARIN nu de RANS- en BEM-modellen, waarbij de eerste zeer nauwkeurig is, maar heel veel rekentijd nodig heeſt en de tweede wat minder nauwkeurig is en daarom vaak wordt gebruikt


in de eerste schetsen van het ontwerp. Het is volgens Flikkema geenszins de bedoeling om de vele decennia ontwerpervaring die MARIN al heeſt zomaar overboord te gooien. Flikkema: “Het project zelf richt zich vooral op hoe je de vormen van de bladen automa- tisch kunt definiëren, dat gaat ons nog iets te ver. Er zal altijd wat handmatig werk in blijven zitten. Maar we willen wel de complexere tools die uit het onderzoek voortkomen eerder in het ontwerpproces gaan inzetten en over drie jaar beter inzichtelijk hebben hoe we de RANS- en BEM-methode slimmer gecombineerd kunnen toepassen”. De resultaten van de onderzoeken worden eigendom van de deelnemende partijen. “Maar de ontwikkelde kennis en resultaten zullen breeduit worden gedeeld met de industrie en wetenschap. Daarmee kunnen ook niet-deelnemende partijen dus profiteren van de resultaten van het onderzoek”.


In september was de officiële aſtrap van het driejarige MOTOR-project, dat wordt gecoördineerd door Matthias Möller, universitair docent Numerieke Wiskunde, en Wendy Murtinu-van Schagen, projectmanager bij het Delſt Institute of Applied Mathematics (DIAM) van de TU Delſt. Het consortium bestaat uit de volgende partners: Caterpillar Propul- sion, ESS Engineering Soſtware Steyr GmbH, Universität Linz, Stichting Maritiem Research Instituut Nederland (MARIN), Mavel As, MTU Aero Engines, Technische Universität Dortmund, Technische Universität Kaiserlautern, von Karman Institute of Fluid Dynamics en de TU Delſt. www.motor-project.eu


Page 1  |  Page 2  |  Page 3  |  Page 4  |  Page 5  |  Page 6  |  Page 7  |  Page 8  |  Page 9  |  Page 10  |  Page 11  |  Page 12  |  Page 13  |  Page 14  |  Page 15  |  Page 16  |  Page 17  |  Page 18  |  Page 19  |  Page 20  |  Page 21  |  Page 22  |  Page 23  |  Page 24  |  Page 25  |  Page 26