CFD-gestützte Optimierung einer Propellerstrahlumlenkung hinter einem Binnen-Eisbrecher

Die Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH (SVA) wurde von der Fachstelle Maschinenwesen Mitte (FMM) beim Wasser- und Schifffahrtsamt Minden beauftragt, eine Strahlumlenkung hinter einem Schiff zu entwerfen und zu berechnen. Der Binnen-Eisbrecher „Turmfalke“ soll während der eisfreien Zeit unter anderem zum Aufwirbeln und Wegspülen von am Gewässerboden abgelagertem Schlick genutzt werden. Der Propellerstrahl des Schiffes soll mit einer Vorrichtung so umgelenkt werden, dass eine möglichst gute Aufwirbelung von abgelagertem Schlick am Gewässerboden erreicht wird. Die Funktionsweise eines ähnlichen Systems wurde dem Auftraggeber durch ein anderes Unternehmen bereits mehrfach unter Beweis gestellt.

Die Aufgabenstellung wurde in 4 Arbeitspakete gegliedert. In einer Vorstudie sollten verschiedene mögliche Umlenkvorrichtungen grundlegend miteinander verglichen werden. Anschließend sollte eine ausgewählte Variante hinsichtlich ihrer Wirkung am Gewässerboden optimiert werden. Darauf folgten die Untersuchung zur Wirksamkeit bei verschiedenen Wassertiefen sowie die Untersuchung verschiedener Steuerklappen zur Unterstützung der Manövrierbarkeit.

Schiff und Propeller

Hauptabmessungen des Schiffes
Länge zwischen den Loten	LPP [m]	20.13
Breite	B [m]	7.10 [m]
Tiefgang	T [m]	1.40
Verdrängung	∇ [m3]	114.6

 

Mit Hilfe eines Probefahrtprotokolls eines Schwesterschiffs wurde ein Propeller der Wageningen B-Serie ermittelt, der ungefähr die Kennwerte der Probefahrt erreicht. Die radiale Schub- und Momentenverteilung dieses Propellers wurde mit dem SVA-eigenen Programm VORTEX bestimmt und durch eine Actuator-Disc in den CFD-Berechnungen modelliert.

Umlenkvorrichtung

Die Geometrie der Umlenkvorrichtung unterlag nur wenigen Beschränkungen. So sollte der Tiefgang der Umlenkvorrichtung nicht den des Schiffs überschreiten. Weiterhin war auf die Realisierbarkeit mit einfachen Stahlbaumethoden zu achten.

Randbedingungen

Der Tiefgang des Schiffs in den Berechnungen beträgt T = 1.4 m. Die Wassertiefe wurde in der Vorstudie und während der Optimierung auf h = 2.5 m festgelegt. Für die Ermittlung der Effektivität bei anderen Wassertiefen konnte die Wirkung der Strahlumlenkung bei h = 2 m, h = 3 m und h = 4 m berechnet werden. Die Geometrie des Eisbrechers wurde vom Kunden bereitgestellt. Am Ort des Propellers wurde eine zylindrische Region definiert, in der die Volumenkraft der Actuator-Disc induziert wurde. Nach unten wurde das Berechnungsgebiet vom Gewässerboden beschränkt, nach oben von der als fest definierten Wasseroberfläche. Für die Vorstudie wurde ein symmetrisches Problem angenommen (Berechnung des halben Schiffs / der halben Domain, kein Drall im Propellerstrahl), um die Rechenzeit zu verkürzen. Für die Optimierung der hieraus ausgewählten Variante wurde das gesamte Strömungsgebiet um das Schiff berechnet.

Auswertung der numerischen Berechnungen

Berechnet werden sollte die Wirkung der Strahlumlenkung auf dem Gewässerboden. Die Sandrauhigkeit des angenommenen Schlickbodens betrug k = 0.06 mm (Literaturangabe in Absprache mit dem Kunden). Durch den als fest angenommenen Boden konnte keine Änderung der Bodentopologie durch die Strahlwirkung erfasst werden. Schlick ist eine Binghamsche Flüssigkeit, die ab einer bestimmten Scherspannung zu fließen beginnt. Daher war das für die Auslegung wesentliche Gütekriterium die Größe der Fläche des Gewässerbodens, auf der eine Wandschubspannung von τ = 120 Pa überschritten wird. Als ein weiteres Bewertungskriterium konnte der Druck auf den Boden ausgewertet werden.

Vergleich verschiedener Umlenkvorrichtungen – Vorstudie

Bei den Berechnungen zeigte sich, dass für eine effektive Strahlumlenkung eine Seitenplatte erforderlich ist. Hierdurch wird ein Ausweichen des Strahls zur Seite deutlich reduziert. Ohne Seitenplatte wird die erforderliche Wandschubspannung von τ = 120 Pa nicht erreicht.  Strömungsdurchlässige Spalten in der Umlenkvorrichtung sollten möglichst vermieden werden, da diese die Wirkung der Umlenkvorrichtung erheblich reduzieren. Die Abbildungen zeigen die resultierenden Werte in Abhängigkeit von der gewählten Geometrievariante (Bilder 1-6). Die geschlossene Tunnel-Variante (Bild 6) war am effektivsten und wurde vom Kunden für eine Optimierung ausgewählt.

Optimierung der Tunnelvariante

Für die Geometrieoptimierung des Tunnels wurde ein Parametermodell im CAE Programm „CAESES“ entwickelt. Die Breite der Eingangsfläche wurde auf 1.30 m festgelegt. So ist die Funktion auch bei leichten Ruderausschlägen gewährleistet. Durch die Abhängigkeit der Geometrie von definierten Parametern ließ sich diese für die Optimierung vollautomatisch verändern. Die Höhe der Oberkante des Tunneleingangs, die Höhe der Eintrittsfläche, die Länge des Tunnels, das Verhältnis von Eingangsfläche/Ausgangsfläche sowie das Verhältnis von Länge/Breite der Ausgangsfläche wurden mittels Parametervariation hinsichtlich der resultierenden Bodenfläche mit einer Wandschubspannung von τ > 120 Pa optimiert.

Ergebnis der Optimierung

Die Oberkante des Tunnels liegt genau unter der Wasseroberfläche. Um ein Überströmen der Umlenkvorrichtung zu vermeiden, sollte der Bereich zwischen Schiff und Umlenkvorrichtung an der Wasseroberfläche abgedeckt sein. Die Breite der Wandschubspannung mit τ > 120 Pa liegt bei etwa 2.5 m, die Länge bei etwa 2 m. Die Wandschubspannung und der Druck am Gewässerboden, welche von der optimalen Tunnelvariante generiert werden, zeigt Bild 7.

Um die Wirksamkeit der optimierten Tunnelgeometrie bei verschiedenen Wassertiefen einschätzen zu können, wurden zusätzliche Rechnungen bei h = 2, 3 und 4 m durchgeführt. Es zeigt sich eine moderate Abnahme der Wirksamkeit mit der Wassertiefe. Bei 4 m Wassertiefe werden 120 Pa Wandschubspannung nicht mehr erreicht (s. Diagramm in Bild 8).

Bewertung der Ergebnisse

Aufgrund der Vereinfachungen (feste Wasseroberfläche, quasi statische Berechnungen, Actuator-Disc, keine Änderung der Bodentopologie) können die Ergebnisse nur qualitativ sein. Der Druck auf den Gewässerboden entspricht bis zu 28.000 Pa (N/m2) bei einer Wassertiefe von h = 2.5 m. Ein solcher Druck sollte zu einer Deformation von Schlick am Gewässerboden führen (ausgespültes Loch) welche die Spülwirkung nochmals deutlich erhöhen wird.

Vergleich Theorie (Arbeiten der SVA) und Praxis (siehe unten)

Die Optimierung der Vorrichtung erfolgte bei einer niedrigen  Systemgeschwindigkeit, da der Selbstpropulsionspunkt in den Berechnungen für P_Motor = 2/3 P_{Motor max} bei unter 5 km/h erreicht wurde. Die Vorrichtung scheint in der Realität jedoch einen deutlich geringeren Widerstand zu erzeugen. Dies lässt vermuten, dass die Vorgabe einer „festen“ Wasseroberfläche trotz einer Platte zwischen Tunneleingang und Schiff (siehe Bilder 9-11) unter diesen Umständen nicht optimal ist. Die Vorrichtung wird im Betrieb deutlich überspült. Um die Geschwindigkeit zu reduzieren soll der Propellerstrahl zukünftig noch durch zusätzlich seitliche Bleche eingeschränkt werden.

Reale Umsetzung der Strahlumlenkung

Alle folgend dargestellten Inhalte wurden von der Firma „TECHNOMAR GmbH&Co.KG“ verfasst und uns durch die Fachstelle Maschinenwesen Mitte beim Wasser- und Schifffahrtsamt Minden aus dem Probefahrtprotokoll zur Verfügung gestellt.

Manövrierverhalten

Das Schiff führt Rudermanöver zuverlässig aus, auch bei Rückwärtsfahrt treten keine Probleme auf. Das Gerät verringert die Schiffsgeschwindigkeit unter Volllast von 15 km/h auf 12 km/h. Aussage des Schiffsführers: „Ein sicheres Manövrieren ist möglich. Es gibt keine Einschränkungen“.

Überprüfen der Wirksamkeit

Die vorgesehene Teststrecke wurde durchfahren und die Wassertiefen abgelesen. Die Wassertiefe lag um 2.4 m im Mittel. Dann wurde mit verschiedenen Fahrstufen eine Strecke von 400 bis 500 m in insgesamt 3 Durchgänge abgefahren. Beim Spülvorgang war das aufgewirbelte Wasser tief schwarz und Sedimente kamen an die Oberfläche. Nach dem 3. Durchgang zeigten sich Gasblasen, also Faulgase, an der Oberfläche. Der Versuch wurde damit beendet und das Gerät aus dem Wasser genommen. Die Teststrecke wurde wieder durchfahren und die Wassertiefe ermittelt. Diese lag nun um ca. 2.80 m. Das Fahrwasser wurde bei diesem Versuch um ca. 40 cm vertieft. Die Schubumlenkung muss nun in weiteren Versuchen auf die Wirksamkeit des Spülens getestet werden. Diese wird vom WSA-Meppen ausgeführt und entsprechend dokumentiert. Alle Beteiligten sind der Meinung, dass das Gerät eine Verbesserung beim Bekämpfen des Schlickproblems auf der Ems darstellt.