Der Schiffbauversuchsanstalt Potsdam GmbH ist es im Jahre 1998 weltweit erstmalig gelungen, die Umströmung des Systems „Schiff mit arbeitendem Propeller“ numerisch zu berechnen. Damit standen den Werften neue Wege offen, um Schiff und Propeller als eine Einheit zu untersuchen. Bis dahin erfolgte immer die getrennte Verbesserung von Schiff und Propeller, aber eine getrennte Optimierung der einzelnen Komponenten resultiert selten in einem optimierten Gesamtsystem.
Aufgrund des instationären Charakters der Wechselwirkung zwischen Schiff und Propeller ist die gleichzeitige Berücksichtigung von Schiff und Propeller eine wichtige Voraussetzung, um die physikalischen Zusammenhänge zu erfassen und verbessernd in das Gesamtsystem einzugreifen. Untersuchungen zeigen immer wieder, dass nicht jedes Schiff mit minimalem Widerstand auch eine minimale Antriebsleistung erfordert.
Aufbauend auf diesem Erfolg werden heute Ruder bei unterschiedlichen Ruderwinkeln und andere Anhänge, wie Flossen, Düsen oder Wellenböcke in die numerischen Simulationen integriert. Die folgende Animation zeigt im Vergleich mit LDV-Messungen, wie genau die numerische Simulation die Strömung hinter dem Propeller eines Modellschiffes im der Schlepprinne wiedergeben kann.
Die folgenden Bilder zeigen, wie je nach Problemstellung die Berücksichtigung der Propellerwirkung mit einem Body-Force-Modell (links) oder als rotierender Körper mit realer Propellergeometrie (rechts) umgesetzt werden kann. Bei der ersten Methode ist die Analyse der Propellerwirkung (Sog) auf das Schiff möglich, die zweite Methode erlaubt die Analyse der Wechselwirkung von Schiff und Antriebsorgan.
Costa-Birne
Durch das im Propellerstrahl angeordnete Ruder wird ein Teil der Energie, die in den vom Propeller induzierten Wirbeln gebunden ist, in Vortrieb umgesetzt. Der Anteil der Energie, der zurückgewonnen werden kann, ist zu maximieren, was z. B. durch den Einsatz einer sog. „Costa-Birne“ gelingen kann. In systematischen numerischen Untersuchungen wurden die Propulsionskennwerte von Schiffen und die Ruderkräfte in Abhängigkeit von Geometrie und Anordnung des Ruders mit Costa-Birne analysiert.
Die Abbildungen zeigen zwei Varianten, bei denen sich sowohl die Dicke der Costa-Birne relativ zum Nabendurchmesser als auch der Abstand zwischen Costa-Birne und Nabe unterscheiden. Der Verlauf der Stromlinien zeigt eine deutlich unterschiedliche Ruderumströmung im Bereich der Costa-Birne. Die Entdrallung der Strömung ist beim größeren Abstand von Nabe und Ruder nicht gegeben.
Einfluss von Anhängen auf die Propulsionseigenschaften
Mit Hilfe zusätzlicher Anhänge wie z. B. Vortex-Generatoren können das Nachstromfeld und damit die Propulsionseigenschaften des Schiffes positiv beeinflusst werden. Die Bilder zeigen den Vergleich der Strömung am Hinterschiff ohne (links) und mit (rechts) Vortex Generator Fin. Dieser führt zu einer Verringerung der Gradienten im Geschwindigkeitsfeld und damit zu einer Verbesserung der Propellerbelastung.
