Flettner rotor Propulsion measurement and validation

Abstract

Flettner Rotors are a wind-assisted propulsion method experiencing renewed commercial interest, which is driven by increasingly tightening maritime emission regulations. Flettner rotors have seen a surge of usage in recent years. This thesis evaluates the propulsion measurement and estimation methods applicable to Flettner Rotors, and validates the reliability of the pressure-sensor-based system deployed on Norsepower RotorSails through experimental testing and CFD comparison. The study combines a qualitative literature review of Flettner rotor History, magnus effect fluid dynamics, and measurement principles, with a quantitative validation study using real world wind test data collected at the Norsepower test site in Naantali, Finland in April 2026. Three tests were designed: signal quality assessment using a pulse generator, a phase-change analysis of the pressure matrix, and a cross-method comparison of pressure sensor data against CFD simulations. Of these Three tests Two were successfully completed, leaving the phase change analysis of pressure matrixes for further study. A 50Hz interference signal was found, but its amplitude was found to be small enough to confirm the signal to be of acceptable quality. By comparing the CFD simulated data at each RS height segment and by applying stricter data acceptance filters the deviation between measured and simulated force magnitudes was brought down from approx. 12% to approx. 5%. The remaining discrepancy is attributed primarily to windshear function incorrectness, more specifically the ground shear boundary layer exponent inaccuracy. The result confirm that the Norsepower RS propulsion measurement system produces reliable force data. The Identified sources of residual error provide a clear direction to improving simulations in the future.

Flettner-roottori on tuulivoimalla avustettu propulsiomenetelmä, joka on saanut viime aikoina uutta kaupallista kiinnostusta yhä tiukentuvien meriliikenteen päästömääräysten ajamana. Flettner-roottoreiden käyttö on lisääntynyt merkittävästi viime vuosina. Tässä diplomityössä arvioidaan Flettner-roottoreihin soveltuvia propulsion mittaus- ja estimointimenetelmiä sekä validoidaan Norsepowerin RotorSail-purjeissa käytössä olevan paineanturipohjaisen järjestelmän luotettavuutta kokeellisen testauksen ja CFD-vertailun avulla. Tutkimus yhdistää laadullisen kirjallisuuskatsauksen Flettner-roottoreiden historiasta, Magnus-ilmiön virtausdynamiikasta ja mittausperiaatteista määrälliseen validointitutkimukseen, jossa hyödynnetään huhtikuussa 2026 Norsepowerin testauspaikalla Naantalissa kerättyä todellista tuulitestidataa. Työssä suunniteltiin kolme testiä: signaalin laadun arviointi pulssigeneraattorin avulla, painematriisin vaihemuutosanalyysi sekä paineanturidatan ja CFD-simulaatioiden välinen ristivertailu. Näistä kolmesta testistä kaksi saatiin onnistuneesti suoritettua loppuun, jolloin painematriisien vaihemuutosanalyysi jäi jatkotutkimuksen aiheeksi. Työssä havaittiin 50 Hz:n häiriösignaali, mutta sen amplitudin todettiin olevan riittävän pieni, jotta signaalin laatu voitiin vahvistaa hyväksyttäväksi. Vertaamalla CFD-simuloitua dataa kunkin RS-korkeussegmentin kohdalla ja soveltamalla tiukempia datan hyväksymissuodattimia, mitattujen ja simuloitujen voimasuureiden välinen poikkeama saatiin pienennettyä noin 12 %:sta noin 5 %:iin. Jäljelle jäävän eron katsotaan johtuvan pääasiassa tuulen leikkausfunktion epätarkkuudesta, tarkemmin sanottuna maanpinnan rajakerroksen leikkauseksponentin epätarkkuudesta. Tulokset vahvistavat, että Norsepowerin RS-propulsion mittausjärjestelmä tuottaa luotettavaa voimadataa. Tunnistetut jäännösvirheen lähteet antavat selkeän suunnan simulaatioiden parantamiseksi tulevaisuudessa.