Numerical Modelling of Air-Induced Drag Reduction for Marine Vessels with a Multifield Two-Fluid Model
Authors
Mølbak, Victor Hvass ; Kringel, Christian
Term
4. term
Education
Publication year
2024
Abstract
Denne afhandling undersøger, om den adaptive multifelt to-fluidemodel MultiMorph kan bruges til effektivt og præcist at modellere luftsmøring som metode til at sænke friktionsmodstand og brændstofforbrug for skibe. Modellen, der skifter mellem en Euler–Euler-beskrivelse og et Volume of Fluid (VOF)-skema afhængigt af gitteropløsning og luftkoncentration, er implementeret i OpenFOAM og valideret mod fladpladeforsøg fra Elbing et al. (2008) i en todimensionel opstilling. Valideringen viser, at MultiMorph kan genskabe de observerede luftsmøringsregimer og fordelingen af modstandsreduktion langs pladen. En analyse af flere luftdyser med forskellig indbyrdes afstand viser, at en tæt dyseplacering kan opretholde et sammenhængende luftlag med en omtrent 90% reduktion i modstand, mens større afstande ikke danner et stabilt lag, og gevinsten hurtigt aftager. En mere detaljeret VOF-storhvirvelsimulation omkring en enkelt dyse afslører, at luften organiserer sig som slug-lignende bobler med diametre omkring 1–3 mm, og at disse ikke er i direkte kontakt med væggen, men adskilles af en tynd vandfilm, som ikke blev fanget i MultiMorph-rammen. Endelig viser en sammenligning mellem en glat overflade og en ruhed på Ra = 100 µm, at ruheden reducerer modstandsreduktionen med omkring 4 procentpoint ved at øge nærvægsturbolensen og transporten af luft væk fra overfladen. Resultaterne peger på, at MultiMorph er et lovende værktøj til at undersøge luftsmøring med reduceret beregningsomkostning, og at både dysekonfiguration og overfladeruhed er afgørende designparametre for anvendelser i praksis.
This thesis examines whether the adaptive multifield two‑fluid framework MultiMorph can efficiently and accurately model air lubrication as a means to reduce skin friction and fuel use for ships. The model switches between an Euler–Euler description and a Volume of Fluid (VOF) scheme based on grid resolution and air concentration, is implemented in OpenFOAM, and is validated against flat‑plate experiments by Elbing et al. (2008) in a two‑dimensional setup. The validation shows that MultiMorph reproduces observed air‑lubrication regimes and the distribution of drag reduction along the plate. An assessment of multiple air injectors with different spacing indicates that close spacing can sustain a continuous air layer with roughly 90% drag reduction, whereas larger spacing fails to maintain a stable layer and the benefit decays rapidly. A higher‑fidelity VOF large‑eddy simulation around a single injector reveals slug‑like bubbles with diameters of about 1–3 mm and shows that they remain separated from the wall by a thin water film, a feature not captured in the MultiMorph framework. Finally, comparing a smooth wall with surface roughness of Ra = 100 µm shows a reduction in drag‑reduction performance by about 4 percentage points due to increased near‑wall turbulence that transports air away from the surface. Overall, the results suggest that MultiMorph is a promising tool for studying air lubrication at reduced computational cost and that injector layout and surface roughness are key design parameters for practical applications.
[This summary has been generated with the help of AI directly from the project (PDF)]
Documents