Autor: pa

Aerodynamik/Abgasberechnung

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Im Fokus aerodynamischer Untersuchungen des Überwasserschiffes stehen neben Widerstands- und Stabilitätsbetrachtungen durch Windlasten auch Fragestellungen der Ab- und Zuluft von Lüftungen und Klimaanlagen sowie Untersuchungen  der Abgaskonzentrationen. Letzteres gilt im Wesentlichen für Yachten und Passagierschiffe, bei denen Komfortaspekte ein wichtiges Designkriterium darstellen.

Aufgrund der komplexen Geometrie von Aufbauten oder Masten können Verwirbelungen und Rezirkulationszonen entstehen, die hinsichtlich der Abgasverteilung untersucht werden. Zur Bearbeitung derartiger Fragestellungen bieten numerische Methoden Lösungsansätze, um bauliche Aspekte überprüfen und Variantenrechnungen durchführen zu können.

Durch die Simulation können folgende Aspekte berücksichtigt werden:

  • Berechnung von Wind, Abgas, Zu- und Abluftströmungen und Erfassung der gegenseitigen Wechselwirkungen
  • Detaillierte Visualisierung der Strömung und der Fluidkonzentrationen, z.B. des Abgases
  • Berechnung der Strömung um das ganze Schiff (nicht gebunden an spezifische Messpositionen)
  • Temperaturverteilung zur Detektierung von „hot spots“
  • Berücksichtigung des Windprofils
  • Berechnung für die Großausführung

 

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Blendermann, W., Hellwig-Rieck, K., Schuckert, E.: Wind Loads on a Passenger/Car Ferry by CFD Computations and Wind Tunnel Tests, Ship Technology Research, Vol. 58, No. 2 (2011)

Nachstromberechnung/-optimierung

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Die Nachstromfelder zwischen Modell und Großausführung weisen Unterschiede auf. Im Modellmaßstab ist die Grenzschicht im Vergleich zum Schiff relativ dicker und der Kimmwirbel prägnanter. Dadurch ergeben sich Unterschiede in der Anströmung des Propellers zwischen Modell und Schiff, die es beim Propellerentwurf zu berücksichtigen gilt. Durch den Einsatz numerischer Methoden kann das Nachstromfeld sowohl für das Modell als auch für das Schiff berechnet werden. Damit ist es möglich, bereits beim Schiffslinienentwurf das Nachstromfeld zu bewerten und den Einfluss von Geometriemodifikationen oder Anhängen zu bestimmen. Ferner kann das Nachstromfeld für den Propellerentwurf zur Verfügung gestellt werden.

Die numerischen Simulationen bieten folgende Vorteile:

  • Berechnung des Nachstromfeldes im Vorentwurf
  • Berechnung des Nachstromfeldes für die Reynoldszahl des Schiffes
  • Auswertung der Geschwindigkeitskomponenten des Nachstromfeldes für beliebige Radien- und Winkelschritte
  • Visualisierung der Zuströmung und Darstellung der Ursachen (z.B. Ablösungen) für eventuell auftretende Unregelmäßigkeiten

 

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Abdel-Maksoud, M., Lübke, L.: Berechnung des Nachstromfeldes der Großausführung, 97. Hauptversammlung der Schiffbautechnischen Gesellschaft, Hamburg, 20.-22.11.2002
[2]    Lübke, L.: Calculation of the Wake Field in Model and Full-scale, NAV 2003, International Conference on Ship and Shipping Research, Palermo Italy, 24.-27. June 2003
[3]    Lübke, L.: Calculation of the Wake Field in Model and Full-scale, CFX Conference 2003, Garmisch-Partenkirchen, 04. – 06. November 2003
[4]    Lübke, L.: Validation of CFD Results behind the Working Propeller of a Ship Model, 7th Numerical Towing Tank Symposium, Hamburg, 03.-05. October 2004
[5]    Lübke, L., Mach, K.-P.: LDV Measurements in the Wake of the Propelled KCS Model and its Use to Validate CFD Calculations, 25th Symposium on Naval Hydrodynamics, St. John’s, Newfoundland and Labrador, Canada, 08-13 August 2004
[6]    Lübke, L.: Berechnung des effektiven Nachstromfeldes der Großausführung, 11. SVA-Forum, Potsdam, 09.11.2004
[7]    Lübke, L.: Formoptimierung unter Berücksichtigung der Charakteristik des Nachstromfeldes, 4. SVA Forschungsforum „Theoria cum praxi“, Potsdam, 27.01.2011

Frachtschiffe

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Frachtschiff
Frachtschiff in der Schleppinne

Mittels modernster Messtechnik höchster Genauigkeit können alle Frachtschiffstypen jeder Größe untersucht werden. Die Spanne reicht vom Binnenschubleichter bis zu den größten Containerschiffen und Bulkern.Zur Erstellung einer Leistungs- und Geschwindigkeitsprognose werden Widerstands-, Propulsions- und Freifahrtversuche in der 280 m langen Schlepprinne durchgeführt. Im Rahmen dieser Versuche ist die Bestimmung des EEDI-Index gemäß der Resolution Mepc.214(63) (2012 Guidelines On Survey And Certification Of The Energy Efficiency Design Index) möglich.

Um Frachtschiffe effizienter und sicherer zu machen, bietet die SVA Potsdam verschiedenste Leistungen an. Versuche zur Optimierung der Propellerdrehrichtung bei Mehrschraubern sowie eine Trimm- und Ruderwinkeloptimierung können zu signifikanten Leistungseinsparungen führen. Für den Entwurf eines nachstromangepassten Propellers werden Nachstrommessungen am Modell durchgeführt.

Das Seeverhalten des Schiffes kann in regulären und irregulären Seegängen sowie in Wellenpaketen ermittelt werden. Für die Untersuchung des arbeitenden Propellers unter Kavitationsähnlichkeit steht ein Kavitationstunnel (Kempf & Remmers) mit moderner Messtechnik zur Verfügung.

Holz-, GFK-, PU-Modelle

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Die Schiffsmodellrohlinge werden aus stabverleimten Abachiholz hergestellt.

Wasserstrahlschneidanlage

Die Bauteile werden rechnergestützt erstellt und mittels einer Hochdruck-Wasserstrahlschneidanlage gefertigt (3500 bar). Die Anlage schneidet die Teile passgenau und in schneller Abfolge effizient aus. Die Wasseraufnahme der Schnittteile ist sehr gering und lässt eine Weiterverarbeitung der Rohlinge nach einer Trockenzeit von einem Tag zu. Die Maschine hat einen Arbeitsbereich von 2000 mm x 4000 mm und ist darüber hinaus in der Lage bis zu 120 mm Stahl zu schneiden.

5-Achs-Fräsmaschine

Die verleimten Schiffsrohlinge werden auf der 5-Achs-Fräsmaschine, Fabrikat Huber& Grimme, mit Hilfe von Schrupp- und Schlichtfräsoperationen komplett bearbeitet und erreichen dabei ein nahezu perfektes Oberflächenfinish. Mit einem einmaligen manuellen Oberflächenschliff nach dem Fräsprozess ist das Modell zur weiteren Bearbeitung vorbereitet. Mit dem Einsatz der 5-Achs-Fräse werden die Anforderungen der ITTC hinsichtlich der Genauigkeit von Schiffsmodellen erfüllt (±1 mm, 0.5 % Lpp). Die Maschine hat ein maximalen Arbeitsbereich von 8000 mm x 2500 mm x 1200 mm, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit von bis zu 40 m/min und eine maximale Drehzahl von 24000 U/min.

DP-Simulationen/Berechnungen

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Als „Dynamische Positioning“ (DP) wird das Halten der Position eines Schiffes unabhängig von Seegang, Wind und Strömung bezeichnet. Für Offshore-Schiffe und Plattformen sind DP-Fähigkeiten (allg. als „DP-Capabilities“ bezeichnet) entscheidend, um ihren Auftrag jederzeit ausführen zu können. Beim Entwurf dieser Systeme sind Kenntnisse über die am Schiff angreifenden Kräfte erforderlich, um die DP-Antriebssysteme auslegen bzw. steuern zu können. Diese Kräfte werden an der SVA Potsdam neben den experimentellen Verfahren auch mit mathematischen Mitteln bestimmt. Die auf das Schiff angreifenden Kräfte sind:

  • Windkräfte
  • Seegangskräfte
  • Strömungskräfte

Jeder dieser Kraftanteile wird einzeln bestimmt und die Gesamtkraft durch Superposition berechnet.

  • Windkräfte werden mittels empirischer Formeln berechnet, üblicherweise nach Blendermann [1] oder Isherwood [2]. Die Berechnung der Windkräfte kann für beliebige Überwasserschiffe durchgeführt werden
  • Die Kräfte durch den Seegang werden mit dem Programmsystem UTHLANDE berechnet. Hierbei werden Methoden der linearen Streifentheorie eingesetzt. Die Driftkräfte werden für den jeweils gegebenen Seegang bestimmt.
  • Die Strömungskräfte werden aus Beiwerten aus der  SVA-eigenen umfangreichen Datenbank von Vergleichsschiffen gewonnen. Darüber hinaus fließen die Ergebnisse des Forschungsprojektes „Bestimmung der Kräfte und Momente auf das Unterwasserschiff über Anströmwinkel von 360°“ in die Prognoseverfahren der SVA ein.

Als Ergebnis werden DP Capability Plots für die verschiedenen untersuchten Szenarien und Umweltbedingungen geliefert. Das Beispiel zeigt einen einzelnen DP Capability Plot für ein Schiff mit Bug- und Heckthruster. Die Prognoseberechnung liefert die erforderlichen Schübe der Thruster, die für die untersuchte Kombination aus Seegang, Wind und Strömung zum Halten der Position erforderlich sind.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Blendermann, W.: Parameter Identification of Wind Loads on Ships, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 51 (1994)
[2]    Isherwood: Wind resistance of merchant ships, Royal Inst. of Nav. Arch., 1972
[3]    Steinwand, M., Wuttke, H., Schleusener, B.: Prognose quasistationärer Rumpfkräfte anhand von Vergleichsschiffen, numerische Modellierung von Steuer- und Propulsionsorganen und Verifikation simulierter Manöver, Bericht 3735, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam, November 2010 (Abschlussbericht)
[4]    Steinwand, M., Schomburg, E.: 360° – Strömungskräfte auf das Schiff, STG-Sprechtag Manövrieren, 14. Mai 2014, Hamburg
[5]    Steinwand, M.: Dynamic Positioning von Schiffen und Plattformen mit Motionstabilisierung unter Verwendung von x/y-Logik, 8. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 29. Januar 2015
[6]    Steinwand, M.: Forces on Podded Drives in Manoeuvring Condition, SVA-CTO-Meeting, Brieselang, 6. Juni 2015
[7]    Steinwand,M.: Bestimmung der Kräfte und Momente auf das Unterwasserschiff über Anströmwinkel von 360°, Bericht 4342, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam, Juni 2015 (Abschlussbericht)