Abdel-Maksoud, MoustafaMoustafaAbdel-Maksoud1407799220000-0002-2323-1018Schomburg, ErikErikSchomburg2025-07-032025-07-032025Technische Universität Hamburg (2025)https://hdl.handle.net/11420/56077Model tests are carried out to test the hydrodynamic performance of ships, particularly for high-cost systems. However, these test are limited, as the test facilities and the test costs, which must be kept as low as possible, only permit comparatively large scales and consequently small models with low inflow velocities. In open water tests, the speeds must be adapted to the mechanical load limits of the measurement systems and propellers. Due to the resulting Reynolds number effects, a Reynolds number correction of the test results is necessary. When carrying out experimental investigations, the aim is to realize fully turbulent boundary layer flow on the test models. However, if the boundary layer is only partially turbulent in the model scale, new methods must be developed which allow the conversion of the hydrodynamic parameters as a function of the position of the laminar-turbulent boundary layer transition. Therefore, the development and further development of Reynolds number correction methods is of fundamental importance in model testing. The work presented here deals with the development of a Reynolds number correction method for open water test results of ducted propellers with accelerating nozzles. To isolate and better understand the physical effects, preliminary investigations were carried out using numerical flow calculations. Using a 2D- and a rotating 3D profile in a neutral, free-slip nozzle, the influence of the Reynolds number on the laminar/turbulent boundary layer and its effect on the drag and lift forces as well as the resulting relationships between lift and drag or propulsive force and torque were determined. CFD calculations of isolated propeller nozzles at different Reynolds numbers, in which the propeller effect was clearly defined by means of an actuator disk model, provided insights into the Reynolds number effects of the nozzles and their consequences for the propeller. It is shown that the formation of the boundary layer has a direct influence on the frictional and pressure forces. Four propellers were selected for systematic model tests and manufactured in two scales each (D = 200 mm and D = 350 mm) as controllable pitch propellers. The propeller hub was designed in such a way that different propeller diameters could be realized by means of spacer plates on the propeller blade feet and thus different gap dimensions between the propeller tip and the inside of the nozzle could be realized with a constant nozzle diameter. This made it possible to carry out extensive free-running and paint flow tests with the propellers with different pitch, gap dimensions and Reynolds numbers in the SVA-Potsdam towing tank. Since only a small Reynolds number range can be covered in model tests, comprehensive CFD calculations were carried out with ducted propellers for a wide Reynolds number range. The CFD calculations were validated on the basis of a large number of test results. Series calculations of geometrically different propellers in the Wag. 19A nozzle over a wide Reynolds number range generated a data basis for the development of an empirical Reynolds number correction model. This made it possible to determine the Reynolds number effects for 50 propellers with different area ratios, pitch settings, tip loads due to pitch and chord length, gap dimensions and skew distributions at different operating points. On the basis of this data, an empirical Reynolds number correction method for ducted propellers was developed for the most widely used Wag. 19A nozzle, in which both laminar-turbulent boundary layer effects and geometric propeller parameters are taken into account. The method makes it possible to determine the influence of the Reynolds number on the free running characteristics of ducted propellers as a function of geometric propeller parameters for the cavitation-free state.Zur Überprüfung der hydrodynamischen Eigenschaften von Schiffen werden vor allem bei hochpreisigen Systemen Modellversuche durchgeführt. Diese unterliegen jedoch Einschränkungen, da die Versuchsanlagen und möglichst gering zu haltende Versuchskosten nur vergleichsweise große Maßstäbe und daraus folgend kleine Modelle mit geringen Anströmgeschwindigkeiten zulassen. In Freifahrtversuchen müssen die Drehzahlen den mechanischen Belastungsgrenzen der Messsysteme und Propeller angepasst werden. Aufgrund der hierdurch vorhandenen Reynoldszahleffekte wird eine Reynoldszahlkorrektur der Versuchsergebnisse notwendig. Bei der Durchführung von experimentellen Untersuchungen wird die Realisierung voll turbulenter Grenzschichtströmung an den Versuchsmodellen angestrebt. Wenn aber im Modellmaßstab die Grenzschicht nur teilweise turbulent ist, müssen neue Methoden entwickelt werden, welche die Umrechnung der hydrodynamischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Position des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags erlauben. Daher ist die Entwicklung und Weiterentwicklung von Reynoldszahlkorrekturverfahren von grundsätzlicher Bedeutung im Modellversuchswesen. Die hier vorgelegte Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Reynoldszahlkorrekturverfahrens für Modellversuchsergebnisse von freifahrenden Düsenpropellern mit Beschleunigungsdüsen. Zur Isolation und zum besseren Verständnis der wirkenden physikalischen Effekte wurden unter Nutzung numerischer Strömungsberechnungen Voruntersuchungen durchgeführt. An einem 2D- und einem rotierenden 3D-Profil in einer neutralen, reibungsfreien Düse konnten der Einfluss der Reynoldszahl auf die laminar/turbulente Grenzschichtausbildung und deren Wirkung auf die Widerstands- und Auftriebskräfte sowie die daraus abgeleiteten Verhältnisse zwischen Auftrieb und Widerstand bzw. Vortriebskraft und Drehmoment bestimmt werden. CFD-Berechnungen von isoliert betrachteten Propellerdüsen bei verschiedenen Reynoldszahlen, bei welchen eine Propellerwirkung mittels Aktuator-Disk eindeutig definiert erzeugt wurde, lieferten Erkenntnisse zu den Reynoldszahl¬effekten der Düsen und deren Folgen für den Propeller. Es wird gezeigt, dass die Grenzschicht¬ausbildung einen unmittelbaren Einfluss auf die Reibungs-, aber auch die Druckkräfte ausübt. Für systematische Modellversuche wurden 4 Propeller ausgewählt und in jeweils zwei Maßstäben (D = 200 mm und D = 350 mm) als Verstellpropeller gefertigt. Die Propellernabe wurde so konstruiert, dass durch Distanzplättchen an den Propellerblattfüßen unterschiedliche Propellerdurchmesser und so bei konstantem Düsendurchmesser unterschiedliche Spaltmaße zwischen Propellerspitze und Düseninnenseite realisiert werden konnten. So konnten mit den Propellern umfangreiche Freifahrt- und Farbanstrichversuche mit unterschiedlichen Steigungen, Spaltmaßen und Reynoldszahlen in der Schlepprinne der SVA-Potsdam durchgeführt werden. Da in Modellversuchen nur ein kleiner Reynoldszahlbereich abgedeckt werden kann, wurden umfassende CFD-Berechnungen mit freifahrenden Düsenpropellern für einen weiten Reynoldszahl¬bereich durchgeführt. Die Validierung der CFD-Berechnungen erfolgte anhand der Vielzahl von Versuchsergebnissen. Serienberechnungen von frei angeströmten geometrisch unterschiedlichen Propellern in der Wag. 19A-Düse über einen weiten Reynoldszahl¬bereich erzeugten eine Datengrundlage zur Entwicklung eines empirischen Reynoldszahlkorrekturmodells. So konnten die Reynoldszahleffekte für 50 Propeller mit unterschiedlichen Flächenverhältnissen, Steigungen, Spitzenbelastungen durch Steigung und Sehnen¬länge, Spaltmaßen und Skewverteilungen bei unterschiedlichen Betriebpunkten bestimmt werden. Auf Grundlage dieser Datenbasis wurde ein empirisches Reynoldszahlkorrekturverfahren für Düsenpropeller für die am weitesten verbreitete Wag. 19A-Düse entwickelt, bei dem sowohl laminar-turbulente Grenzschicht¬effekte als auch geometrische Propellergrößen berücksichtigt werden. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, den Einfluss der Reynoldszahl auf die Freifahrtkennwerte von Düsenpropellern in Abhängigkeit von geometrischen Propellerparametern für den kavitationsfreien Zustand zu bestimmen.dehttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/DüsenpropellerReynoldszahlPropulsionSchiffbauReynoldszahleinflussMaßstabseffekteTechnology::623: Military Engineering and Marine EngineeringTechnology::620: Engineering::620.1: Engineering Mechanics and Materials ScienceDoctoral Thesishttps://doi.org/10.15480/882.1534210.15480/882.15342Krüger, StefanStefanKrügerOther