Autor: pa

Yachten

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Modell einer Luxus-Yacht.

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Ein Maximum an Performance mit einem Minimum an störenden Einflüssen zu verbinden ist das Ziel jeder Yachtuntersuchung. Schwerpunkte der Entwicklung und Optimierung sind deshalb u.a. die Schiffsumströmung mit einer möglichst homogenen Zuströmung zum Propeller, das Seegangsverhalten (Rolldämpfung), die Untersuchung und Vermeidung von Vibrationen und Geräuschen sowie die Abgasausbreitung.Mit den folgenden Leistungen werden Yachtprojekte unterstützt:

  • Berechnung der Umströmung des Unterwasserschiffes und Ausrichtung von Anhängen (Wellenbockarme, Stabilisierungsflossen, …)
  • Widerstands- und Propulsionsversuche
  • Optimierung von Staukeilen, Interceptoren und Spritzleisten
  • Strömungsvisualisierung (Farbversuch, Fädchenversuch, Nachstrommessung)
  • Berechnung des Seegangsverhaltens und der Manövriereigenschaften
  • Manövrierversuche
  • Seegangsversuche mit passiven und aktiven Stabilisierungsflossen
  • Berechnung der Abgasausbreitung und der Abgaskonzentration an vorgegebenen Positionen
  • Propellerentwurf
  • Kavitationsversuche und Druckschwankungsmessungen mit Finalpropellern im Nachstrom der Großausführung
  • Messung der Schallabstrahlung des Propellers

Die jeweiligen Messergebnisse werden auf die Großausführung extrapoliert, so dass den Designern und der Werft das spätere Verhalten der Yacht bereits vor dem Bau bekannt ist. Ziel der Untersuchungen sind neben der Ermittlung der grundlegenden hydrodynamischen Eigenschaften des Schiffes auch die Gewährleistung eines Höchstmaßes an Komfort an Bord des Schiffes. Hier spielen Druckschwankungsmessungen und die Hydroakustik eine

CFD-Berechnung für eine Segelyacht

Die hydrodynamische Analyse von Segelyachten stellt besonders hohe Anforderungen an die Versuchstechnik, da diese durch den Einfluss der Windkräfte krängen, gieren und vertrimmen. Die SVA verfügt über Messeinrichtungen, mit der der Widerstand bei vorgegebenen Gier-, Krängungs- und Trimmwinkel bei freier Tauchung bestimmt werden kann. Kräfte am Ruder und am Kiel können dabei ermittelt werden. Neben der experimentellen Untersuchung von Segelyachten können detaillierte hydro- und aerodynamische Strömungsberechnungen mit viskosen Verfahren (ANSYS) bis hin zur kompletten Analyse der Performance der Yacht durchgeführt werden.

Leistungsprognose

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Die Leistungsprognose ist die grundlegende Aufgabe der Schiffbau-Versuchsanstalten.

Leistungsprognose auf Grundlage von Modellversuchen

Mit Hilfe von Modellversuchen wird die erforderliche Antriebsleistung für alle Arten von Wasserfahrzeugen ermittelt. Die klassische Leistungsprognose beruht auf

  • Widerstandsversuchen
  • Freifahrtversuchen
  • und Propulsionsversuchen.

Mit Hilfe dieser Versuche lassen sich alle leistungsbestimmenden Parameter ermitteln. Die Extrapolation der Modellversuchsergebnisse erfolgt entweder ohne Bestimmung eines Formfaktors oder nach der “ITTC 1978 Performance Prediction Method“ mit Formfaktor. Beide Verfahren sind etabliert und liefern zuverlässige Ergebnisse für die Großausführung. Die SVA führt die Propulsionsversuche  unter Anwendung der Britischen Methode durch.

Voraussetzung für die Extrapolation der Versuchsergebnisse ist höchste Genauigkeit beim Messen und in der Modellfertigung. Die SVA hält die Vorgaben der ITTC (International Towing Tank Conference) für alle Bereiche des Versuchswesens ein. Modernste Mess- und Auswertungstechnik unterstützt den Versuchsingenieur und reduziert den Zeitaufwand für die Durchführung der Versuche.  Die Versuchsergebnisse und –verfahren werden laufend verifiziert und validiert.

Leistungsprognose auf Grundlage statistischer Daten

Auf Grundlage der SVA Datenbank sowie verschiedener empirischer Methoden ist die SVA Potsdam in der Lage, eine schnelle Leistungsprognose zu erstellen [1]. Dies ermöglicht eine erste Abschätzung des Leistungsbedarfs eines Wasserfahrzeugs im frühen Entwurfsstadium.

Leistungsprognose auf Grundlage viskoser CFD Berechnungen

In viskosen CFD-Simulationen („Computational Fluid Dynamics“) werden die Umströmung der Geometrie und der daraus resultierende Widerstand sowie das Nachstromfeld im Maßstab der Großausführung oder/und im Modellmaßstab berechnet. Anhand dieser Berechnungen können auch eventuelle Verbesserungspotenziale der Schiffslinien erkannt werden. Um den Effekt des arbeitenden Propellers auf den Schiffswiderstand einbeziehen zu können, werden in weiteren CFD-Berechnungen  die Propellerwirkung simuliert oder die reale Propellergeometrie berücksichtigt. Aus dem so berechneten Widerstand unter Propulsionsbedingungen bzw. aus dem berechneten Drehmoment lässt sich die Antriebsleistung ermitteln. Falls keine kundenspezifischen Propellerdaten vorliegen, werden ersatzweise hierzu die Polynome der Wageningen B-Serie verwendet.

Die Leistungsprognose auf Grundlage viskoser CFD-Berechnungen [2] ist für viele Anwendungsfälle eine Alternative zum Modellversuch, insbesondere dann, wenn nur einzelne Betriebspunkte gefragt sind. Die Ergebnisse können weiterhin zur allgemeinen Schiffsbegutachtung, zur Motorenauslegung und als Grundlage für den Propellerentwurf genutzt werden.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Grabert, R.: Ein Verfahren zur Leistungsprognose nach Vergleichsschiffen, Schiffbauforschung 31(1992)1
[2]    Rieck, K., Hellwig-Rieck, K.: Numerische Propulsionsprognose von Schiffen, STG-hauptversammlung, Rostock, November 2011

Schiffsentwurf

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Gute Schiffslinien sind die Grundlage für einen effizienten und sicheren Betrieb eines Schiffes. Die Kunden werden bei der Entwicklung optimaler Schiffslinien durch erfahrene Ingenieure und Nutzung effektiver Berechnungstools unterstützt. Der Entwurfsprozess findet in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden statt und wird von CFD-Berechnungen begleitet. Mit den Ergebnissen der CFD-Berechnungen kann eine Geschwindigkeits- und Leistungsprognose erstellt werden. Beim Linienentwurf werden die Programme CAESES und DELFTship professional eingesetzt. Die CFD-Berechnungen werden mit den viskosen CFD-Lösern ANSYS CFX bzw. Fluent durchgeführt. Zur Bewertung des Seegangsverhaltenseines Schiffsentwurfessteht das UTHLANDE Programmpaket zur Verfügung.

Linien- und Spantenriss für ein MPC

 

Sollten die Hauptabmessungen nicht fest vorgegeben sein, werden entsprechend der vorgegebenen Spezifikationen Parameterstudien angeboten. Hierbei werden mittels CFD-Berechnungen, mit statistischen Methoden und unter Verwendung der umfangreichen SVA Datenbank die günstigsten Werte für Parameter wie Hauptabmessungen (L, B, T) oder Koeffizienten (CB, CM, LCB …) ermittelt. Hieraus kann der Einfluss von Änderungen der verschiedenen Formparameter auf die Leistung des Schiffes ermittelt werden.
 

Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Abdel-Maksoud, M.: Advantage of Application of CFD Methods in Ship Form Development, AEA – SVA Forum, Potsdam, 23rd March 2001
[2]    Grabert, R., Rieck, K.: Hull Form Optimisation of Ferries Using CFD, 10. SVA-Forum, Potsdam, 26. Juni 2003
[3]    Lübke, L.: STG 2009 – CFD-basierte Schiffsformoptimierung CFD-Sprechtag der STG, Hamburg, 25. September 2009
[4]    Steinwand, M.: High Efficiency Design in der SVA, 5. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 26. Januar 2012
[5]    Lübke, L.: CFD in Ship design, ANSYS Conference & 32nd CADFEM Users` Meeting 2014

Rolltank

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Titel: Weiterentwicklung und Validierung von theoretischen Verfahren zur Vorhersage der Rollbewegung von Schiffen unter Berücksichtigung von Rolldämpfungstanks  
Laufzeit: 09/2013 – 03/2016
Projektmanager: M. Fröhlich
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: MF120101

Seegangsprognoseverfahren mit besserer Erfassung der Wirkung von Rolldämpfungstanks und damit zuverlässigere Aussagen zu gefährlichen Rollbewegungen und zum gesamten Bewegungsverhalten sollen langfristig gesicherte Ergebnisse zur Unterstützung des Schiffsentwurfs liefern.

Mit der Weiterentwicklung des Simulationsverfahrens wurden die im Programmsystem Uthlande implementierten Strömungsberechnungsverfahren für die Tankberechnung verbessert und die Be-rücksichtigung der Tanks im Schiff für Berechnungen der Bewegungen mit der linearen Streifenmethode validiert. Die Tankberechnungsverfahren für Flume- und Frahmtanks wurden in die entwickelte nichtlineare Streifenmethode ROLF (FuE-Vorhaben „Simulationslationsverfahren zur Bestimmung parameterererregten Rollens“, Reg.-Nr. IW-090162) eingebunden, um nichtlineare Einflüsse genauer zu untersuchen.

Zur Entwicklung der Strömungsverfahren für die Tanksimulation wurde auf vereinfachte Methoden zurückgegriffen, die durch instationäre, wegabhängige bzw. beschleunigungsproportionale Anteile erweitert und ergänzt wurden. Für ausgewählte Fälle der Flüssigkeitsbewegung in den Tanks wurden CFD-Berechnungen zur Strömungsvisualisierung vorgenommen, die bei der Bewertung der Messung und der Validierung der zu entwickelnden Strömungsverfahren unterstützend herangezogen wurden. Durch die Ableitung von Berechnungsmodulen, die in die Prognoseverfahren zur Ermittlung der Schiffsbewegungen unmittelbar integriert wurden, wurde eine Verbesserung bzw. Weiterentwicklung der Simulationsverfahren zur Beschreibung der Flüssigkeitsbewegung in den Tanks erreicht. Zur Validierung der Programmerweiterungen wurden Modellversuche mit verschiedenen Konfigurationen von Rolldämpfungstanks (Frahm, Flume) auf dem Rollschwingungsoszillator durchgeführt. Nach Integration der Tankberechnungsverfahren in die Seegangsprogramme kann die Vorhersagegenauigkeit der Rollbewegung im Seegang mit beiden Methoden bestimmt werden. Für den Vergleich von Modellversuchsergebnissen mit Berechnungen im natürlichen Seegang wurde eine Fourieranalyse der Wellenauslenkung kurz vor dem Schiff vorgenommen. Die auf diese Weise analysierten Wellenkomponenten werden als Eingabedaten für das Programm ROLF benötigt. Zur Validierung wurde ein Schiffsmodell (Schiffstyp mit erhöhtem Gefährdungspotenzial zu unerwünschten Rollbewegungen und Option für eine praxisnahe Ausrüstung mit einem Frahm- bzw. Flumetank) mit und ohne Tank in regulären und irregulären queranlaufenden Wellen untersucht. Nach Abschluss der Versuche sowie dem Vergleich mit den Berechnungen nach Streifentheorie (ROLF, STRIP) und den numerischen Simulationen der Flüssigkeitsbewegung in den Tanks wurden abschließend Validierungsversuche mit dem Schiffsmodell durchgeführt, um den erreichten Stand zu beurteilen. Das weiterentwickelte Verfahren ROLF wurde in die SVA-Programmstruktur eingebunden.