Computational Fluid Dynamics (CFD)

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

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

Ein erster Schiffsentwurf ist selten hinsichtlich seiner hydrodynamischen Effizienz optimal. Häufig wird ein neuer Entwurf von vorhandenen Schiffsgeometrien abgeleitet und für das neue Einsatzprofil „manuell“ angepasst. Für einen maximal ökonomischen und ökologischen – d. h. insbesondere Kraftstoff sparenden – Betrieb kann die Schiffsgeometrie optimiert werden, ohne andere Entwurfskriterien wie Verdrängungsverteilung, Zuladungsmenge, Geschwindigkeit, Stabilität, Nachstromverteilung etc. zu beeinträchtigen. Diese Optimierung erfolgt unter Nutzung von CFD-Methoden, entweder mittels einer mathematisch begründeten, automatischen Optimierung, oder wissensbasiert auf der Grundlage jahrzehntelanger Erfahrung der Ingenieure.
Zur Optimierung werden u. a. verschiedene Parametermodelle der Software „CAESES“ eingesetzt. Die Optimierung erfolgt auf Grundlage von viskosen CFD-Berechnungen, da diese bei der Optimierung deutlich zuverlässiger sind als potenzialtheoretische Verfahren. Die erzielten Leistungseinsparungen sind in der Regel erheblich und ergeben über die Lebensdauer des Schiffes eine deutliche Steigerung des „Return on Investment“. Klassische Optimierungsaufgaben sind die Optimierung des Bugwulstes, des Vorschiffes und des Hinterschiffes. Während sich bei neuen Entwürfen eine komplette Optimierung anbietet, ist im Bereich des Retrofitting vor allem eine Bugwulstoptimierung sinnvoll. Diese erfolgt für ein vom Kunden vorgegebenes Einsatzprofil in der Regel voll parametrisch. Das Beispiel zeigt die Entwicklung des Schleppwiderstandes eines Schiffes in Abhängigkeit der Variation der Bugwulstgeometrie. Als Nebenbedingung eines minimalen Widerstands bzw. Propellerschubs kann bei der Optimierung die Propelleranströmung (Homogenität des Nachstromfeldes) betrachtet werden.

Wellenböcke, Stabilisierungsflossen und andere Anhänge können einen wesentlichen Beitrag zum Schiffswiderstand liefern. Durch die optimierte Form und Ausrichtung der Anhänge werden der Widerstand und die Belastungen auf die Anhänge minimiert. Damit einhergehend wird der Propellerzustrom homogener, was der Güte und Effizienz der Propulsion zugutekommt und zur Minderung von Vibrationen und Geräuschen beiträgt.

Der Einsatz von numerischen Methoden bietet vielfältige Möglichkeiten, Schiffe im Seegang zu untersuchen. Die SVA kann je nach Anwendungsfall das Programmsystem UTHLANDE oder RANSE-Verfahren einsetzen. UTHLANDE bietet die Möglichkeit, Seegangsberechnungen auf Basis einer linearen und nichtlinearen Streifenmethode durchzuführen. Mit dieser Methode können Einrumpfschiffe und Katamarane über ein großes Einsatzspektrum untersucht und Kurz- und Langzeitstatistiken berechnet werden. Für Spezialfälle oder die Simulation von nichtlinearen Anwendungen kommen RANSE-Verfahren (ANSYS Fluent) zum Einsatz.

Mit den numerischen Berechnungen können Fragestellungen hinsichtlich des Zusatzwiderstandes oder des Beschleunigungs- und Bewegungsverhaltens von Schiffen untersucht werden. Der Zusatzwiderstand im Seegang ist ein wesentlicher Aspekt, um den Leistungsbedarf und die Betriebskosten von Schiffen korrekt bestimmen zu können. Das Bewegungsverhalten im Seegang hingegen ist ein wesentlicher Komfortaspekt bzw. bestimmt die Einsatzgrenzen von Schiffen.

Die numerischen Seegangssimulationen mit RANSE-Verfahren bieten folgende Anwendungsmöglichkeiten:

• Seegang aus beliebiger Richtung im Stand und in Fahrt
• Berechnung von regulärem und irregulärem Seegang, wobei der Fokus auf der Berechnung von regulärem Seegang liegt
• Ermittlung des Zusatzwiderstandes
• Ermittlung der auftretenden Beschleunigungen

Der Einsatz von numerischen Berechnungsverfahren bietet vielfältige Möglichkeiten, Schiffsmanöver zu untersuchen. Im Allgemeinen werden die numerischen Berechnungen analog zu PMM-Versuchen (Planar Motion Mechanism) durchgeführt, bei denen statische und dynamische Simulationen durchgeführt werden, um die Kräfte und Momente als Funktion einer spezifischen Schiffsbewegung zu bestimmen. Daraus lassen sich die hydrodynamischen Koeffizienten ableiten und in ein mathematisches Modell speisen. Bei Berechnung eines vollständigen Satzes hydrodynamischer Koeffizienten können beliebige Manöver simuliert werden. Um die Qualität der numerischen Berechnungen zu verifizieren, werden die Berechnungsergebnisse ständig mit den entsprechenden Messwerten validiert.

Die numerischen Simulationen bieten folgende Möglichkeiten:

• Manövrierverhalten in Modell- und Großausführung
• Simulation von statischen und dynamischen Tests
• Visualisierung der Strömung, detektieren von z. B. Ablösungen
• Auslegung von Steuerorganen wie Ruder, Querstrahler, usw.

Das Ruder ist das mit Abstand am häufigsten eingesetzte Steuerorgan; es arbeitet im Strömungsfeld des Propellers. Im Folgenden wird die Druckverteilung auf dem Ruder für einen Ruderwinkel von δ_R = 20° bei rotierendem Propeller und ein Schiff in reiner Gierbewegung dargestellt.

Flachwasser hat einen maßgeblichen Einfluss auf das Fahrverhalten von Schiffen. Augenscheinlichster Effekt ist das sich ändernde Wellenbild im flachen Wasser. Bedingt durch die unterschiedliche Wellenausbreitungs- und Wellengruppengeschwindigkeit in Tief- und Flachwasser bei gleicher Wellenlänge ändert sich die Wechselwirkung zwischen den unterschiedlichen Wellensystemen eines Schiffes, was sich unter anderem durch starke Änderungen im KELVIN-Winkel manifestiert. Zur Darstellung der Flachwassereffekte wird im Allgemeinen die Froudesche Tiefenzahl verwendet, wobei die Fahrregime in einen unterkritischen (Fr_h < 0.9), einen kritischen (0.9 < Fr_h < 1.1) und einen überkritischen (Fr_h > 1.1) Bereich eingeteilt werden. Im Normalfall operieren Schiffe im unterkritischen Bereich. Für kritische Froudesche Tiefenzahlen kann je nach Schiffstyp mit einem starken Anstieg des Widerstandes und einer großen Änderung der dynamischen Schwimmlage gerechnet werden, da in diesem Bereich die Querwellen sich mit Schiffsgeschwindigkeit fortbewegen. Als Sonderfall können in diesem Bereich Soliton-Wellen auftreten. Im Falle der überkritischen Froudeschen Tiefenzahl ist das Schiff schneller als die maximale Wellengeschwindigkeit und die Querwellen im sekundären Wellensystem verschwinden. Numerische Methoden bieten bei den Berechnungen von Flachwassereffekten umfangreiche Einsatzmöglichkeiten:

• Berechnung des Widerstandes und der Schwimmlage bei unterschiedlichen Wassertiefen, Geschwindigkeiten und Bodentopologien
• Berechnung von Wellenschlag/Wellenhöhen an Böschungen und am Ufer

Die SVA setzt hierfür ANSYS CFD ein.

Schnell fahrende Schiffe sind eher durch Flachwassereffekte beeinflusst als langsam fahrende Schiffe. Für drei Geschwindigkeiten werden die Gebiete der Ostsee, in denen das Schiff im Bereich der kritischen Froudeschen Tiefenzahl (0.9 <Fr_h<1.1) fahren würde, dargestellt. In Küstennähe bewegt sich das Boot im überkritischen, weiter draußen auf der Ostsee im unterkritischen Froudeschen Tiefenzahlbereich.