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Stand der Technik und Motivation des Projektes
Am Schiffskörper, wie auf allen sich in einem viskosen Medium bewegenden Körpern, entsteht eine relativ dünne Schicht in der sich die Geschwindigkeit der Flüssigkeit verlangsamt. Diese Schicht wurde 1904 von dem berühmten deutschen Wissenschaftler Ludwig Prandtl theoretisch und experimentell erforscht und als Grenzschicht benannt. Die Grenzschicht wird entlang des Schiffes dicker und erreicht im Heckbereich eine Dicke um etwa ein Prozent der Schiffslänge. Die abfließende Grenzschicht bildet hinter dem Schiff den Nachstrom. Bei Schiffen mit einem großen Völligkeitsgrad (z.B. Frachtschiffen, Tanker) kann sich die Schicht im Heckbereich ablösen, was zu wesentlichen Verwirbelungen im Nachstrom führt (siehe Abb. 1). Der Nachstrom besteht aus mehreren konzentrierten Wirbelstrukturen, die eine wesentliche Ungleichförmigkeit der Propelleranströmung verursachen. Dieses Phänomen ist im Schiffbau zu vermeiden, da die ungleichförmige Anströmung die Ursache für Propellerschwingungen, Geräuscherzeugung und Kavitation ist. Um die durch Inhomogenität der Anströmung bedingten Schwierigkeiten zu überwinden, wurden die so genannten Skew Propeller erfunden (siehe Titelfoto). Diese Erfindung löst aber das Problem nicht vollständig. Die Gewährleistung einer homogenen Anströmung für Propeller bleibt nach wie vor die wichtigste Aufgabe beim Entwurf des Schiffsantriebs. Dafür sind die Kenntnisse über hochgradige turbulente instationäre Vorgänge der Strömung im Nachstrom durchaus wichtig.
Experimentelle Untersuchungen dieser Vorgänge werden mit vielen Schwierigkeiten konfrontiert. Die Erfassung von konzentrierten turbulenten Wirbelstrukturen im Nachstrom stellt hohe Anforderungen an die notwendige zeitliche und räumliche Auflösung der Messapparatur. Die Strukturen sind oft instabil und können durch Messsensoren zerstört werden. Diese Schwierigkeiten konnten nur in der letzten Zeit durch den Einsatz von modernen laserdiagnostischen Meßmethoden wie Laser Doppler Anemometrie (LDA) und Particle Image Velocimetry (PIV) überwunden werden. Die Identifikation der räumlichen Struktur des turbulenten Wirbelfeldes bleibt aber problematisch, weil die Messungen entweder punktweise (LDA) oder flächenweise (PIV) durchgeführt werden. Hierzu soll auch das klassische Problem der experimentellen Schiffshydromechanik genannt werden, nämlich der Maßstabeffekt. Die Ergebnisse der Strömung sind vom Maßstab des Modells abhängig. Mit anderen Worten können die fürs Modell festgestellten Ergebnisse nur bedingt auf die Großausführung hoch skaliert werden. Anschließend ist noch zu bemerken, dass die experimentellen Untersuchungen recht teuer sind, besonders falls die laserdiagnostischen Methoden zum Einsatz kommen.
Dies hat dazu geführt, dass überall, wo es möglich ist, die Modellmessungen durch numerische Simulation ersetzt werden. In den letzten Jahren hat sich die numerische Strömungsberechnung (CFD) zu einem unverzichtbaren Werkzeug bei der hydrodynamischen Bewertung, der Auslegung und Optimierung von Schiffen und Unterwasserfahrzeugen entwickelt. Mathematische Modelle, numerische Rechenverfahren und Computertechnik ermöglichen zusammen qualifizierte Berechnungen der Umströmung, die zu einer wertvollen Ergänzung der Modelluntersuchungen in einer Versuchsanstalt geworden sind. Auf vielen Gebieten der Schiffshydromechanik hat sich die Rolle der Messungen zum Validierungstool für numerische Simulation reduziert. In Industrieunternehmen kommen numerische Strömungsberechnungen in der Produktentwicklung zum Einsatz.
Als Basis der bisherigen Simulationsmethoden dienten die so genannten Reynoldsgemittelten Navier Stokes Gleichungen (RANSE), in denen die turbulenten Schwankungsgrößen zeitlich gemittelt werden. Die RANSE - Verfahren mit verschiedenen Turbulenzmodellen gehören heute zum Stand der Technik in der numerischen Strömungsberechnung. Die Ergebnisse von RANSE - Rechnungen sind qualitativ hochwertig und anerkannt, wenn die Strömung nicht durch turbulente Erscheinungen dominiert. Die Simulation der schwingungserregenden Strömung um das Hinterschiff und den Propeller ermöglichen die zeitlich gemittelten Navier Stokes-Gleichungen nicht. Zur wirklichkeitsnahen Wiedergabe zeitlich aufgelöster turbulenter Strömungen sind diese Verfahren weitestgehend ungeeignet.
Dafür sollen die modernen Methoden, in denen die kohärenten Strukturen der Strömung zeitlich und räumlich aufgelöst werden, zum Einsatz kommen. Die direkte numerische Simulation (DNS) ermöglicht die Auflösung von allen Wirbelstrukturen der Strömung, beginnend vom kleinsten Kolmogorovschen bis zu den größten Wirbeln. Leider ist die direkte Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen (DNS) aufgrund der notwendigen extrem feinen räumlichen und zeitlichen Diskretisierung zurzeit weder im Maßstab des Modells noch für die Großausführungen durchführbar. Grobstruktursimulation oder Large Eddy Simulation (LES), die auf räumlich gefilterten Navier Stokes Gleichungen basiert, stellt eine gute Alternative zu RANSE. Diese relativ neue Technologie ist in der Lage kleinstskalige instationäre Wirbelstrukturen aufzulösen und viele für den Schiffbau wichtige Phänomene dadurch genauer vorherzusagen.
Die LES - Anwendung für ingenieurtechnische Aufgaben ist jedoch sehr problematisch. Aufgrund der für diesen Bereich typisch großen Reynoldszahlen sind Schwierigkeiten bei der Auflösung des breiten Spektrums der auftretenden Wirbelstrukturen und bei der numerischen Behandlung der Strömung in der Nähe der Körperoberfläche, wo große Gradienten der hydrodynamischen Parameter auftreten, vorprogrammiert. Die zur Lösung dieser Probleme notwendigen Computerressourcen sind sehr umfangreich, was die praktische Anwendung der LES unmöglich macht. Es ist nicht zu erwarten, dass die zugänglichen Computerressourcen in der nächsten Zukunft sich wesentlich verbessern, so dass reine LES - Berechnungen für ein Schiff sogar bei versuchstypischen Reynoldszahlen mittelfristig nicht durchführbar sein werden. Ein effizienter Ausweg ist die Kombination der LES - Technologie mit herkömmlichen RANSE Methoden. Ein wichtiges Problem besteht dabei in der Kopplung der numerischen Lösungen in RANSE- und LES-Gebieten. Die Entwicklung der Kopplungsprozedur ist eines der wichtigsten Ziele und Aufgaben des vorliegenden Teilprojektes. Sie ist nicht nur für die Schiffshydromechanik von großer Bedeutung, sondern hat auch eine allgemeine wissenschaftliche Bedeutung.
Beschreibung des Projektes
Zu den konkreten Zielen des Teilprojektes der Universität Rostock, die im Einklang mit dem Globalziel des Verbundvorhabens stehen, gehören die Entwicklung, die Implementierung und die Validierung einer neuen Generation der numerischen Methode sowie ihr Einsatz zur Untersuchung der Schiffsumströmung. Die Methode besteht aus einer Kombination des RANSE (Reynolds averaged Navier Stokes equations) Verfahrens für den vorderen Teil des Schiffes (s. Titelfoto), in dem die Strömung relativ ausgeglichen ist, und der Grobstruktursimulation (LES) für den Heckbereich. Die LES - Methode findet besonders dort Anwendung, wo eine zuverlässige Auflösung von starken instationären Wirbelstrukturen notwendig bzw. gewünscht wird. Gerade im Heckbereich eines Schiffes treten starke Turbulenzen auf, deren kleine Wirbelstrukturen nur mittels LES ausreichend aufgelöst, dargestellt werden können. Diese Wirbelstrukturen sind hauptsächlich verantwortlich für Lärmbelastung, Schwingungserscheinungen und Kavitation am Propeller. Eines der wichtigsten Probleme bei der Implementierung des zu entwickelnden Ansatzes, der zu den so genannten hybriden RANSE – LES Methoden gehört, besteht in der Entwicklung des Interfaces zwischen RANSE- und LES- Region. Für das Interface wird die vom Antragsteller vorgeschlagene Methode benutzt. Von der RANS - Simulation werden gemittelte Werte entnommen, während die Schwankungen mit dem vom Antragsteller entwickelten Inflow Generator erzeugt werden.
Die Validierungsdaten für eine neue Methode werden von den Industriepartnern SVA und Voith Turbo Schneider Propulsion geliefert. Der Anteil der SVA besteht einerseits in der Bereitstellung der Validierungsgrundlagen durch PIV-Messungen. Mit VOITH ist ein Industriepartner im Projekt integriert, der an einer zügigen Umsetzung der entwickelten Verfahren zur Nutzung in der Produktentwicklung interessiert ist.
Zu erwartende Ergebnisse
Mit der Entwicklung der neuartigen Methode soll ein Durchbruch in der Erhöhung der Genauigkeit der numerischen Modellierung der Schiffshydrodynamik erzielt werden. Dadurch soll die Vorhersagesicherheit der Wechselwirkung zwischen dem Schiffsrumpf und dem Schiffsantrieb, der Vibration und der Kavitation am Propeller hinter dem Schiff wesentlich verbessert werden.
Das zu entwickelnde Programm soll weiterhin genutzt werden, um einen wesentlichen Beitrag zur Lösung der für den Schiffbau wichtigen wissenschaftlichen Aufgabe zu leisten: Aufklärung der physikalischen Mechanismen zur Entstehung und Weiterentwicklung der Wirbelstrukturen im Schiffsheckbereich
Kontakt
Prof. Dr. Ing. habil. Nikolai Kornev
Gruppenleiter, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik
Universität Rostock
Tel: +49 381 498-9407
Fax: +49 381 498-9402
Email: nikolai.kornev [at] uni-rostock.de
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Abbildung 1: Schematische Darstellung der Schiffsumströmung
Abbildung 2: Berechnungsschema
Abbildung 3: PIV Messanlage der Schiffsversuchanstalt Potsdam
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Life Science Engineering
für Projekte
uni-rostock.de
