Autor: pa

Schiffsformoptimierung

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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.

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Themenbezogene Referenzen /Forschungsprojekte

[1] Lübke, L.: Optimierung von Schiffsanhängen an großen Yachten, Fachseminar Numerische Simulation und Optimierung, Berlin, 24.05.2007
[2] Lübke, L.: Formoptimierung unter Berücksichtigung der Charakteristik des Nachstromfeldes, Forschungsthema, 04/2007 – 12/2009
[3] Lübke, L.: CFD in Ship Design, STG Sprechtag, 25.09.09 Hamburg
[4] Lübke, L.: CFD in Ship Design, ANSYS Conference & 32nd CADFEM Users Meeting 2014, Nürnberg, June 4-6, 2014

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

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.