Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung des Widerstandes von Katamaranen, die zunehmend in Konkurrenz zu anderen, konventionellen Fahrzeugtypen treten, bei Verdrängerfahrt. Dieses Verfahren wurde auf der Basis von systematischen Widerstandsversuchen durch Parametervariation dargestellt. Damit wird die Auswahl bzw. die Entscheidung für optimumsnahe Formparameter innerhalb der Entwurfsphase erleichtert, um die Anzahl der Entwurfsschleifen bzw. den mehrfachen oder mehrgleisigen Linienentwurf zu vermeiden. Weiterführend wurde die Anwendbarkeit potenzialtheoretischer Berechnungsmethoden für die Berechnung des Wellenwiderstandes von Katamaranen bzw. die Möglichkeiten und der Aufwand für die Verwendung viskoser Verfahren untersucht. Eine Anpassung vorhandener empirischer Verfahren bzw. eine Erweiterung der Datenbasis hat diese Möglichkeit der Bewertung verbessert. Außerdem wurden die Grenzen dieser Verfahren ausgelotet, um zukünftig in der konkreten Anwendung Entscheidungskriterien hinsichtlich der zu wählenden Betrachtungsmethode (Modellversuch, potenzialtheoretische Berechnung oder RANSE-Berechnung) zu haben. Die Rechenergebnisse wurden durch Versuchsergebnisse validiert.

In systematischen Untersuchungen wurde eine Matrix aus der Froudezahl (0.1 < Fn < 0.4) und dem Verhältnis Rumpfabstand/Länge aufgespannt. Untersetzt wurde diese Matrix durch Variation der Verdrängung über die Völligkeit der Rümpfe (0.4 ⩽ CB ⩽ 0.6). Ergänzend wurde für ausgewählte Fälle die Wirkung eines asymmetrischen Vorschiffes untersucht. Die gemessenen Widerstandskurven wurden in funktionaler Abhängigkeit von unterschiedlichen Formparametern (Breite, Froudezahl, Blockkoeffizient, Vorschiffsvariation) dargestellt. Zudem wurde das Entstehen des Wellenbildes im direkten Zusammenhang mit dem Widerstand gestellt. Das Wellenbild wurde mittels Ultraschallmessungen und vergleichend durch numerische Untersuchungen erfasst. Den Versuchen wurde eine Matrix an potenzialtheoretischen Berechnungen gegenübergestellt, um deren Verwendbarkeit und Einsatzgrenzen abzuklären. Für diese Berechnung wurde das Programmsystem KELVIN eingesetzt. Der Maßstabseinfluss wurde anhand viskoser Berechnungen für verschiedene Reynoldszahlen für ausgewählte Felder der Matrix abgeschätzt. Die viskosen Berechnungen erfolgten mit dem Verfahren ANSYS-CFX. Zur Modellierung der Turbulenz wurde das SST-Modell eingesetzt. Bei den numerischen Untersuchungen war, aufgrund des komplexen Strömungsfeldes die gesamte Struktur zu modellieren. Besonderes Augenmerk lag auf den Berechnungsgitter an der Wasseroberfläche. Die Anwendbarkeit der RANSE Rechnungen wurde ermittelt und die Umrechnung der Versuchsergebnisse auf die Großausführung anhand ausgewählter Konfigu-rationen wurde untersucht. Als Ergebnis der Berechnungen wurde abgeschätzt, welche Übereinstimmung mit den Modellversuchen erzielt werden kann.

Das globale Ziel des Projektes ist die Entwicklung numerischer Lösungsverfahren für die Berechnung der Abstrahlung und Ausbreitung des von Schiffspropellern verursachten Schalls für den Propellerentwurf und die detaillierte Propellernachrechnung. Weiterlesen „Verbundvorhaben NoiseLES
(06/2014 – 08/2017)„ →

Vorhabensziel war die Verbesserung der Propulsionsprognose für Offshore Support Vessel (OSV) mit 2 Voith Schneider Propellern (VSP).

Ausgehend von einer Analyse von angewendeten Korrelationsverfahren für Schiff und VSP, verfügbaren Propulsionskennwerten, vorhandenen Bordmessungen und der Korrelation zu Propulsionsprognose konnte durch den Einsatz neuentwickelter VSP-Waagen, CFD-Berechnungen mit Beachtung des Versuchsaufbaus und systematische Versuche mit zusätzlichen Detailmessungen ein besseres Verständnis der Propulsion von OSV mit VSP und möglicher Probleme in der Versuchsdurchführung und Auswertung erreicht werden. Zur Bestimmung der maßgeblichen Einflussfaktoren auf die Propulsion von OSV mit VSP wurden die Versuche mit verschiedenen VSP-Modellen, deren Anordnungsvarianten und mit Variation der Gestaltung des Hecks durchgeführt. Systematisch wurde der Einfluss der Flügelgeometrie und der Einbaubedingungen auf die Propulsion geklärt. Zur Klärung der Beeinflussung der Antriebsleistung durch die Flügelgeometrie sowie der Einbaubedingungen wurden Detailmessungen zur Strömung im Hinterschiffsbereich und Messungen der Drücke im Bereich des VSP durchgeführt. In der Propulsionsprognose wurden dann Modifikationen (Reynoldszahl) geprüft. CFD Berechnungen mit Einhaltung der geometrischen Randbedingungen des Versuchs unterstützten die Analyse der Versuchstechnologie. Numerische Berechnungen bei mehreren Varianten wurden zur Bestimmung von Maßstabseffekten bei VSP Antrieben und zur Berechnung der Strömung unter Berücksichtigung des versuchsspezifischen Aufbaus durchgeführt, um auf Basis dieser Simulationen z.B. die Spalteffekte zu bestimmen.

Bordmessungen auf dem OSV „Edda Frahm“ wurden durchgeführt, um die Basis für den Vergleich der Prognosen mit den Großausführungsmessungen abzusichern. Ein Schwesterschiff, z. Zt. mit 2 VSP mit unterschiedlichen Flügeln ausgerüstet, konnte bezüglich der Leistungsaufnahme der unterschiedlichen VSP im Großausführungsmaßstab untersucht werden.

Die Modell- und Großausführungsmessungen sowie die CFD-Berechnungen wurden analysiert, um mögliche Einflussfaktoren auf die Güte der Propulsionsprognose herauszuarbeiten. Die Untersuchungsergebnisse waren Grundlage für die Bestimmung von Propulsionskennwerten für OSV mit VSP und führten zur Erarbeitung von Entwurfsempfehlungen für OSV mit VSP.

Die Forschung zur Korrelation von Kavitationseffekten und Erosion unter Berücksichtigung von Wassereigenschaften und Nachstrom (KonKav) gliederte sich in drei Säulen KonKav I bis III, die sich mit folgenden Teilaspekten befassten:

• Einfluss von Wasserqualität/Gasgehalt auf die Kavitationseffekte (KonKav I)
• Einfluss von Nachstrom/Nachstromsimulierung auf die Kavitationseffekte (KonKav II)
• Forschung zur Kavitationserosion (KonKav III)

Im Teilvorhaben 3 der SVA des Verbundvorhabens KonKav II wurde der Einfluss des Schiffsnachstromes auf das Kavitationsverhalten des Propellers unter dem Aspekt der Nachstromfeldsimulierung mittels Dummymodell erforscht.

Das Hauptziel des Vorhabens war, die Nachstromsimulierung mittels Dummymodell und Zusatzsieben mehr als bisher für die Erforschung von Maßstabseffekten auf die Propellerzuströmung zu nutzen und die Kavitations- und Druckschwankungsprognosen auf der Basis dieser Versuchsmethode abzusichern. Durch den Vergleich von den Modellmessungen mit den im Vorhaben durchgeführten Großausführungsmessungen sowie der Nutzung der im Vorhaben KonKav I entwickelten Messtechnik zur Bestimmung der Wassereigenschaften und der Kavitationscharakteristik wurden die Zusammenhänge erforscht.

Im Ergebnis des Teilvorhabens konnte die Zuverlässigkeit von im K15A gewonnener Kavitations- und Druckschwankungsprognosen deutlich verbessert werden. Dies ist ein wichtiger Beitrag zur Erhaltung der Kompetenz in der Entwicklung und Optimierung von Propulsions- und Antriebssystemen.

Die Ziele wurden in sehr enger Kooperation mit den Partnern des Verbundvorhabens in 10 Arbeitspaketen erreicht. Schwerpunkte der SVA waren dabei die Bordmessungen, Grundlagenuntersuchungen, Dummymodellentwicklungen und Analysen zu den Maßstabseinflüssen.

Zur Gewährleistung der Vergleichbarkeit von Messungen mit Modellrotoren unterschiedlicher Hersteller müssen Qualitätsanforderungen für Modellrotoren überprüft und weiterentwickelt werden. Da sich die Qualitätsanforderungen auf den Preis des Modellrotors auswirken, muss ein Nachweis für die Notwendigkeit der Einhaltung der Anforderungen möglich sein. Dieser Nachweis wurde über die Bestimmung des Einflusses von Abweichungen in der Sollgeometrie auf die Kennwerte der Modellrotoren erarbeitet. Zur Gewährleistung der Qualitätssicherung erfolgte die Integration moderner Messverfahren in die Fertigung und Gütekontrolle von Modellrotoren. Dabei wurde insbesondere das Potenzial von 3D-Scannern im Fertigungsprozess und in der Qualitätskontrolle genutzt. Ausgehend von den Ergebnissen der Analyse der Fertigungstechnologie und der systematischen Untersuchungen wurde das Qualitätsmanagements für die Fertigung von Modellrotoren verbessert.

Zur Ermittlung und Klassifizierung von Fertigungsungenauigkeiten bei Modellrotoren erfolgte eine Aufmessung ausgewählter Modelle der letzten Jahre. Mit einem Soll-Ist-Vergleich wurde die derzeitige Fertigungsgenauigkeit dokumentiert. Modellrotoren mit Hauptparametern und Profilen der Flügel wurden entsprechend dem state-of-the-art entworfen und entsprechend der Anforderungen an den Fertigungsprozess auf Basis der derzeitigen Fertigungsgenauigkeit gefertigt. Nach jeder Bearbeitungsstufe wurden die Freifahrtkennwerte der Modellrotoren gemessen, um den Einfluss der Oberflächengüte der Flügel auf die Freifahrtkennwerte zu bestimmen. Parallel dazu wurden die Freifahrtkennwerte der Modellrotoren mit potenzialtheoretischen und viskosen Verfahren berechnet. Ausgehend von den Qualitätsanforderungen der SVA Potsdam (ITTC), der Analyse der derzeitigen Fertigungsgenauigkeit und der theoretisch begründeten Wichtung von Geometrieparameteranforderungen wurden diese Modellrotoren gezielt modifiziert. Der Einfluss der Modellrotorvarianten auf die Freifahrtkennwerte wurde numerisch berechnet und in Freifahrtversuchen bei verschiedenen Reynoldszahlen untersucht. Von Bedeutung war besonders der Einfluss der Geometrieabweichungen auf den Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung. In Auswertung dieser Ergebnisse wurden die derzeitigen Richtlinien für die Prüfung und Bewertung von Modellrotoren kritisch überprüft und präzisiert. Die überarbeiteten Richtlinien werden der ITTC übermittelt, um die Qualitätsanforderungen für die Modellfertigung präzisieren zu können. Schwerpunkte der weiterentwickelten Fertigungstechnologie der Modellrotoren sind Festlegungen zur Frässtrategie, zu den Aufmaßen auf den Flügeln zur Realisierung der Handarbeit, zur Bearbeitung der Ein- und Austrittskanten sowie der Flügelspitze und der notwendigen Oberflächengüte.