Forschung

HyDesign

Das Ziel des Verbundvorhabens besteht darin, die tatsächlichen Strömungsverhältnisse im Fluid bei arbeitenden Energy Saving Devices (ESDs) und Propeller im Detail wiederzugeben, so dass die numerischen Verfahren mit für ingenieurstechnische Anwendungen ausreichender Genauigkeit und mit industriell vertretbarem Aufwand eingesetzt werden können. Ausgehend von der Annahme, dass in der unzureichenden Erfassung der Instationarität der Strömung im Heckbereich eines Schiffes die Ursache für die mangelnde Prognosegenauigkeit liegt, sollen experimentelle und numerische Methoden entwickelt werden, die die Erfassung turbulenter Strömungsschwankungen im Bereich der

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Titel: Hybride Simulationsverfahren im Entwurfsprozess von Energy Saving Devices und Propellern
SVA: HyPErLoads – Hydrodynamische Prognose und Evaluierung von realistischen Lasten auf ESDs
Laufzeit: 10/2019 – 09/2022
Projektmanager: P. Anschau
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner IBMV, Uni Rostock, MMG
Reg.-Nr.: 03SX493C

Die labortechnischen Untersuchungen, die mit zwei Verfahren, optoelektronisch und elektrome-chanisch, durchgeführt werden sollen, haben zum Ziel, Messverfahren für hochfrequente Messun-gen der durch Turbulenz verursachten Kraft- und Druckschwankungen an ESDs zu entwickeln und Messdaten zur Validierung des zu entwickelnden numerischen Simulationsverfahrens bereitzustel-len. Als optoelektronisches Verfahren soll ein High-Speed-PIV-Verfahren (Particle Image Veloci-metry) eingesetzt werden. Damit soll die Umströmung des Schiffshecks und insbesondere der Zu- und Abstrom der ESDs untersucht werden. Die elektromechanischen Untersuchungen richten sich auf die hochfrequente Erfassung der instationären Kraft- und Druckschwankungen an den ESDs und im Propellerlager am Modell. Für die Messung der Kräfte an einer Nachstromausgleichsdüse soll ein Messsystem neu entwickelt werden, das die zeitlich hoch aufgelöste Registrierung aller drei Kraftkomponenten und des Druckes am ESD erlaubt; außerdem werden die radialen Propeller-lagerkräfte erfasst. Die so erzeugten Daten geben Einblick in die Druck- und Kraftwirkung der turbulenten Strömungsschwankungen.

Numerische Simulationen werden durchgeführt, um die Übertragbarkeit der Modellversuchser-gebnisse auf das Schiff in der Großausführung zu bestimmen. Die Simulationen werden mit den entsprechenden Messergebnissen validiert. Diese Untersuchungen sollen zunächst zu einem Ver-fahrenskonzept führen, mit dem Kraft- und Druckschwankungen an der Düse vom Modellmaßstab auf die Düse in der Großausführung übertragbar sind. Für die Entwicklung des Skalierungsverfah-rens werden Untersuchungen an verschiedenen Maßstäben durchgeführt. Für die Simulationen soll ein zu entwickelndes hybrides Verfahren eingesetzt werden. Aus den Simulationen mit unter-schiedlichen Maßstäben soll eine Aussage über die Größe der zu erwartenden Lastspitzen an der Düse in der Großausführung getroffen werden können, evtl. auch eine Aussage über die Wahr-scheinlichkeiten des Auftretens.

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DEMO

Schwerpunkt des FuE-Vorhabens bildet die Untersuchung des Einflusses der Deviationsmomente in Wechselwirkung mit den Hauptträgheitsmomenten auf das Bewegungsverhalten eines Schiffes in schrägem Seegang. Für verschiedene Schiffsformen sollen umfangreiche numerische Untersuchungen erfolgen. Diese Ergebnisse sollen labortechnisch verifiziert werden. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, einen für Glattwasserfahrt entwickelten Fahrt- und Kursregler für Seegangsbedin-gungen bei Fahrt in Wellen unterschiedlicher Anlaufrichtung weiterzuentwickeln und zu erproben.

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Titel: Einfluss der Deviationsmomente auf das Seegangsverhalten
Laufzeit: 10/2019 – 03/2022
Projektmanager: Dr. M. Fröhlich
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF190066

Ein weiterer Schwerpunkt bezieht sich auf die Entwicklung eines numerisches Verfahrens, das es ermöglicht, die optimale Massenverteilung eines Labormodelles unter Berücksichtigung sämtli-cher vorgegebener Trägheitskenngrößen einschließlich der Deviationsmomente zu berechnen und visuell darzustellen. Damit soll erreicht werden, dass der bisher hohe Zeitaufwand zur Eintrim-mung eines Labormodells für Seegangsversuche deutlich verkürzt wird. Das Verfahren soll derart strukturiert werden, dass auf Basis eines CAD-files vom Innenraum eines Labormodells alle er-forderlichen Geräte, Ausrüstungselemente und Trimmgewichte nach entwickelten Optimierungs-algorithmus angeordnet werden und nach Berechnung der Eigenträgheitsmomente die Ist-Werte mit den Sollwerten automatisch verglichen werden.

Um eine erste Einschätzung des Einflusses der Deviationsmomente auf das Bewegungsverhalten von Schiffen geben zu können, sollen zunächst Simulationen mit einer linearen Streifenmethode durchgeführt werden. Hierbei soll es vor allem darum gehen, wie das Zusammenspiel von Devia-tionsmoment mit den entsprechenden Hauptträgheitsmomenten vonstattengeht und in welchen Größenordnungen sich das auf das Bewegungsverhalten auswirkt.

Der zweite Schwerpunkt umfasst die Entwicklung eines Regelalgorithmus, der es erlaubt, ein Labormodell auf definierten Kurs bei gegebener Fahrtgeschwindigkeit in Wellen ohne Kopplung des Modells zum vorausfahrenden Schleppwagen fahren zu lassen. Die Herausforderung in der Weiterentwicklung dieses Regelalgorithmus besteht darin, bei Fahrt in Wellen die durch die Wellen induzierten Bewegungen in allen 6 Freiheitsgraden zu berücksichtigen. Insbesondere die Roll-, Stampf- und Tauchbewegungen des Schiffes beeinflussen maßgeblich die Anströmung des Ruders. Vor allem bei Fahrt in schräganlaufenden Wellen haben Effekte wie die Austauchung des Propellers und zusätzliche seitliche Kräfte infolge der Wirkung der Wellen auf den Schiffsrumpf und ein zeitweiliger Stabilitätsverlust durch schwankende Hebelarme einen Einfluss auf die Kurshaltefähigkeit. Derartige Effekte müssen eingehend analysiert und durch kurze Reaktions-zeiten des Reglers in ihrer Wirkung minimiert werden.

Im Ergebnis des FuE-Vorhabens werden gesicherte Ergebnisse vorliegen, unter welchen Bedin-gungen und in welchen Bereichen die Deviationsmomente auf das Bewegungsverhalten eines Schiffes maßgeblichen Einfluss haben und zukünftig berücksichtigt werden müssen.

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A-SWARM

Ziel des Vorhabens ist die Erforschung und Entwicklung von Technologien, die einen autonomen Betrieb von elektrisch angetriebenen Wasserfahrzeugen auf Binnenwasserstraßen ermöglichen. Die Anforderungen betreffen sowohl die Echtzeit-Trajektorienplanung auf dem stark begrenzten Raum von Flüssen, Kanälen und Schleusen als auch das möglichst präzise Abfahren dieser Trajektorie unter Einflüssen wie Strömungen, Untiefen, Wind und Begegnungsverkehr, die besondere Herausforderungen auf den Binnenwasserstraßen darstellen.

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Titel: Autonome elektrische Schifffahrt auf WAsseRstrassen in Metropolenregionen
Laufzeit: 09/2019 – 08/2022
Projektmanager: Dr. C. Masilge
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner BEHALA, Infineon, Veinland, TU Berlin, Uni Rostock
Reg.-Nr.: 03SX485A

Es werden sowohl die technologi-schen Anforderungen an das Wasserfahrzeug selbst betrachtet, aber auch ob und welche technolo-gischen Anforderungen an die Infrastruktur hinsichtlich Kommunikation und Positionierung be-stehen. Die Prozesse des An- und Ablegens sowie des Be- und Entladens sind in diesem ersten Schritt von untergeordneter Bedeutung, das Vorhaben soll sich zuerst der Frage des autonomen Bewegens auf dem Wasser widmen. Hierbei ist insbesondere die Frage zu klären, ob es möglich ist, das Fahrzeug selbst mit ausreichender Sensorik zu bestücken, so dass es, abgesehen von einer Satellitenpositionierung, ohne weitere landgestützte Hilfsmittel sicher navigieren kann oder ob es notwendig ist, für einen sicheren autonomen Betrieb zusätzliche Infrastruktur an der Wasserstraße zu installieren. Es soll die Frage behandelt werden, ob die Ausstattung des Fahrzeuges mit State-of-the Art-Sensoren eine hinreichend genaue Beschreibung des Umfeldes ermöglicht oder ob es zwingend notwendig ist, externe Informationen z.B. über andere Verkehrsteilnehmer im Sinne ei-ner Verkehrslenkung durch eine Leitwarte an das Fahrzeug zu spielen, um eigene Entscheidungen durch ein KI-System an Bord treffen zu können. Ein weiterer Aspekt ist die Optimierung der Technologie hinsichtlich der Zielgrößen der möglichst genauen Positionierung und des möglichst geringen Einsatzes von infrastrukturellen Mitteln, um perspektivisch weder Verkehrssicherheit noch Marktfähigkeit zu gefährden.

Als Ergebnis des Projektes entsteht eine Technologie, die den autonomen und decarbonisierten Betrieb von kleineren Wasserfahrzeugen auf Binnenwasserstraßen im Bereich von Ballungsräu-men ermöglicht. Die technische Machbarkeit wird durch einen Demonstrator, bestehend aus zwei Versuchsträgern, nachgewiesen, die während des Projektes zur Erprobung der Zusammenführung der genutzten Technologien dienen. Die betrieblichen Aspekte werden in Form von Nutzungskon-zepten verdeutlicht und anhand eines im Laufe des Vorhabens auszuwählenden konkreten Anwen-dungsfalles nachgewiesen. Um perspektivisch die Verlagerung von Güterverkehren von der Straße auf die Wasserstraßen in Metropolenregionen zu ermöglichen, wird ein autonomes elektrisch an-getriebenes Wasserfahrzeug entwickelt, das in der Lage ist, gekoppelt mit gleichartigen Behältern energetisch günstig die Metropole zu erreichen und im Sinne der (vor-)letzten Meile sich aufsplit-tet und autonom das Ziel erreicht.

Die Demonstratoren werden zunächst unter Laborbedingungen in der Schlepprinne zur Erprobung der entwickelten Technologien im Einzelnen, als auch im Zusammenwirken und als Gesamtes entwickelt und erprobt. Letztendlich soll die Funktionsfähigkeit des autonomen elektrischen Was-serfahrzeugsystems anhand einer Freilanderprobung in einem Reallabor auf innerberliner Wasser-straßen nachgewiesen werden.

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Akustik

Ziel des Vorhabens ist die Verbesserung der experimentellen Prognose der von Schiffen und Antriebssystemen abgestrahlten Schallpegelspektren. Gegenüber der üblichen Vorgehensweise, die Schallpegelprognose allein aus Messungen im Kavitationstunnel abzuleiten, sollen akustische Messungen auch in der Schlepprinne durchgeführt und in die Prognose einbezogen werden.

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Titel: Prognose von Schallspektren von Schiffen auf Basis hybrider Messungen
Laufzeit: 09/2019 – 02/2022
Projektmanager: K. Domke
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF190016

Auf der Basis hybrider Messungen soll ein Konzept der Schallpegelanalyse erarbeitet werden, mit dem die Messergebnisse der Schallmessungen von Schlepprinne und Kavitationstunnel zusammengeführt und zu einem aussagekräftigen Gesamtergebnis zusammengestellt werden können. Die Berücksichtigung der besonderen Eigenschaften der jeweiligen Versuchsanlage ist besonders wichtig. Die Entwicklung der hybriden Schallpegelprognose beinhaltet die Erweiterung der Messverfahren in der Schlepprinne zur Minimierung der Hintergrundgeräusche für das vorbeifah-rende Schiffsmodell und die Erweiterung der Messungen im Kavitationstunnel in den Bereich der Froudschen Ähnlichkeit zur Generierung von Vergleichsspektren. Für die kavitationsfreien Betriebspunkte des Schiffes (Propellers) können schon aus den Messungen in der Schlepprinne ge-naue Prognosen der abgestrahlten Schallpegelspektren erarbeitet werden. Wenn Kavitation auftritt, sind die Schallpegelmessungen im Kavitationstunnel maßgeblich für die Prognose. Durch den Abgleich der Messungen in beiden Versuchsanlagen kann die Genauigkeit der Übertragung der im Kavitationstunnel gemessenen Schallpegel auf Freifeldbedingungen geprüft werden. Da im Kavitationstunnel häufig nur ein Propeller von Zwei- und Mehrschraubenschiffen vermessen wird, können die notwendigen Korrekturen zur Berücksichtigung des Einflusses von mehreren Propellern auf die Schallspektren aus den Schlepprinnenmessungen abgeleitet und Verfahren überprüft werden.

Die experimentellen Untersuchungen sollen durch theoretische Arbeiten begleitet werden. Dabei sollen Kenntnisse über Simulationsergebnisse zu Schallausbreitung in der Schlepprinne unter Beachtung von Wand- und Bodenreflektionen, sowie dem Einbezug des Strandes erlangt werden. Randelementeverfahren können Aufschluss über eine günstige Positionierung der Schallsensoren geben. Ebenso sollen CFD-Berechnungen zur Kavitationstunnelmessstrecke durchgeführt werden. Dies festigt die Kenntnisse über die Schallausbreitung in dieser spezifischen Versuchsanlage und soll zur Bewertung der später gemessenen Schallpegelspektren beitragen.

Eine Verbesserung der Prognosegenauigkeit bei Betrachtung von nur einer Dummymodellhälfte, und damit von nur einem Antrieb eines Zweischraubenschiffes soll anhand von Großausführungsmessdaten geprüft werden. Zur Umrechnung von Messungen im Modellmaßstab zu Großausführungen sollen Empfehlungen erarbeitet werden, wie eine Umrechnung auf Zweischrauber erfolgen kann. Dabei ist vor allem zu beachten, dass bei Antrieben bei denen die Propellerflügel keine feste Phasenlage zueinander habe die Zweipoltheorie berücksichtigt werden muss.

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PSDMan

Im Rahmen des Vorhabens soll der Einfluss von Vordralldüsen (PSD – Pre-swirl duct) auf das Manövrierverhalten von völligen Schiffen, insbesondere der Kursstabilität, und die Wechselwirkung der Vordralldüse mit Ruder und Propeller untersucht werden. Die Manövriereigenschaften des Modells werden durch Versuche mit und ohne Ausgleichsdüse ermittelt. Im Fokus steht hier die Betrachtung der Gierstabilität. Für die Durchführung von Drehkreisversuchen sind Freilandversuche notwendig. Die Düsenkräfte werden während der Manöver gemessen, um Lastspitzen bestimmen zu können.

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Titel: Untersuchung des Einflusses von Pre-Swirl Ducts/Vordralldüsen auf die Manövriereigenschaften von völligen Schiffen
SVA: Manövrierverhalten von völligen Schiffen mit Vordralldüse
Laufzeit: 07/2019 – 06/2022
Projektmanager: L. Lübke
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner IBMV, BMS, TUHH
Reg.-Nr.: 03SX488C

Die Messungen werden durch umfangreiche numerische Simulationen ergänzt bzw. erweitert, wobei die Versuchsergebnisse zur Validierung der Simulationsergebnisse herangezogen werden. Es wird ein effizientes Setup zur Durchführung von Manöversimulationen erarbeitet. Die Kräfte auf das Schiff sollen für unterschiedliche Manöver berechnet werden. Es sollen sowohl „captive-tests“ (geführtes Schiff/Modell) als auch freie Manöversimulationen durchgeführt werden. Entscheidend für die Durchführung der numerischen Simulationen ist der Einsatz von überlappenden Gittern, die dazu befähigen sollen, z.B. Ruderlegesimulationen einfacher durchzuführen. Es werden unterschiedliche Turbulenzmodellierungen angewandt, die von einer vollturbulenten Strömung mit einem Zweigleichungsmodell zu hybriden Verfahren reicht. Die Simulationen erfolgen im Maßstab des Modells als auch des Schiffes, wodurch eine Abschätzung der Reynoldszahleffekte möglich wird. Die Kursstabilität soll u.a. mit dem Stability-Index quantifiziert werden. Der Simulations-umfang umfasst u.a. „pure yaw“ und „pure sway“. Dies ermöglicht die Bestimmung der Manövriereigenschaften auf Basis eines eingeschränkten Koeffizientensatzes. Desweiteren sollen Manöver wie z.B. eine Drehkreissimulation direkt simuliert werden.

Ein weiterer Punkt ist, einen abgestimmten Entwurf von PSD und Propeller hinsichtlich des Manövrierverhaltens unter Berücksichtigung der gegenseitigen Wechselwirkungen durchzuführen. Die Leistungsreduzierung, die sich aus einer genaueren Abstimmung des PSD- und Propellerentwurfs ergibt, soll experimentell quantifiziert werden. Für die optimierte PSD wird ein Propeller unter Berücksichtigung der Düse-Propeller-Wechselwirkung entworfen. Vergleichende Untersuchungen werden das Einsparpotenzial aufzeigen.

Als Ergebnis des Vorhabens soll der Einfluss der PSDs auf das Manövrierverhalten quantifiziert und die Kräfte auf die PSD während des Manövrierens bestimmt werden.

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Verbundvorhaben: HYDRAL

Im FuE-Vorhaben sollen die Grundlagen geschaffen werden, um innovative Forschungen im Bereich der Gezeitenturbinen weiter voranzutreiben. Ziel ist es, in einem der Realität nachempfundenen Turbulenzfeld die Turbinencharakteristiken zu messen sowie eine Messtechnologie zu entwickeln, um instationäre Lasten an Turbineneinzelflügel zu messen. In diesem Zusammenhang soll eine neue Messnabe entwickelt und gebaut werden, die es erlaubt, die Reaktionslasten von Rotoren in dynamischen Nachstromfeldern abhängig von der Flügelposition zu messen.

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Titel: Optimierung eines schwimmenden Turbinensystems zur Nutzung von Gezeitenströmungen
SVA: HYDRAL – Hydrodynamische Lasten von Gezeitenturbinen in instationärer Zuströmung
Laufzeit: 04/2019 – 04/2021
Projektmanager: U. Barkmann
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner Schottel Hydro GmbH, RWTH Aachen, Uni Stuttgart, Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik
Reg.-Nr.: 03EE4001E

Zur Untersuchung des Einflusses der Turbulenz auf das Prognoseverfahren sollen Versuche in turbulenter Zuströmung durchgeführt und Versuchs- sowie Auswertungstechnologien entwickelt werden. Da die Zuströmturbulenz einen deutlichen Einfluss auf die Ermüdungsbelastung des Turbinensystems und im Speziellen des Rotorblatts hat, sollen diese stationären Belastungen sowohl numerisch als auch experimentell ermittelt werden. Mit Hilfe einer Regleroptimierung soll der Einfluss quantifiziert und gegenüber dem Energieertrag bewertet werden. Schließlich sollen Feldversuche die entwickelten Verfahren validieren. Die Bewertung der Lasten im Turbulenzfeld erfolgt durch Versuche auf Basis des Zustromfeldes der Großausführung.

Ein weiteres Ziel dieses Vorhabens ist es, die bestehenden Erfahrungen in der Messung von instationären Kräften und Momenten von Verstellpropellerflügeln der SVA auf Gezeitenturbinen zu übertragen und bereits zum Zeitpunkt der ersten Modellversuche Empfehlungen und realistische Randbedingungen zur strukturellen Auslegung der Flügelblätter der Großausführung zu geben.

Bedingt durch Anordnung der Turbinen an einem schwimmenden Ponton sind die Tauchtiefen deutlich geringer als in bisherigen Konzeptionen. Die Anpassung der Versuchstechnologie sowie des Prognoseverfahrens an geringe Eintauchtiefen bildet daher einen weiteren Schwerpunkt im vorliegenden Projekt. Durch Untersuchungen soll eine Bewertung der Lasten im Turbulenzfeld und nah der Wasseroberfläche erreicht werden. Zur Durchführung der Versuche muss ein neues Nabensystem zum Halten der Rotorblätter entwickelt werden. Die gegenseitige Wechselwirkung der Turbinen sowie die Interaktion eines Turbinenfelds mit der Plattform unter Berücksichtigung des Abstandes zur Wasseroberfläche soll ermittelt werden

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MESA

Im Vorhaben sollen die experimentellen und rechnerischen Verfahren zur Prognose der Kennwerte von schwenkbaren Antriebssystemen weiterentwickelt und verbessert werden. Schwerpunkte sind die bessere Berücksichtigung der Spalteffekte zwischen Propellernabe und Gondel sowie Schaft und Endplatte in der Versuchsauswertung, die Überprüfung der Eignung von quasi-stationären Messungen und die Analyse der Maßstabseffekte auf die Messergebnisse.

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Titel: Methodenentwicklung schwenkbare Antriebe
Laufzeit: 07/2019 – 10/2021
Projektmanager: U. Barkmann
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF190020

Die Umströmung von Propeller und Gehäuse soll in zwei Maßstäben durch PIV-Messungen, Druckmessungen im Spalt zwischen Propellernabe und Gondel und Stromlinienversuchen ermittelt und analysiert werden. Die Geschwindigkeitsmessungen im Bereich des Gehäuses sollen Aufschluss über Reynoldszahl bedingte Änderungen in der Umströmung sowie in der Wechselwirkung von Propeller und Gehäuse geben. Der Spalteinfluss zwischen Propellernabe und Gondel auf den Druck und damit auf die internen Kräfte soll ermittelt werden. Maßnahmen zur Verringerung der Spalteffekte sollen geprüft werden. Zur Erhöhung der Effektivität der Modellmessungen soll die Anwendung von quasi-stationären Messungen für Thruster und Podded Drives im Freifahrtversuchen mit konstantem Schwenkwinkel und beim Schwenken geprüft werden.

In den CFD-Berechnungen müssen die verwendeten Modelle den Charakter der Umströmung des Propellers und Gehäuses (turbulent, laminar, Übergangsbereiche) bei den Reynoldszahlen des Modellversuchs erfassen. Die bisherigen Erkenntnisse aus den Berechnungen mit unterschiedlichen Turbulenzmodellen mit Transition sollen auf die Umströmungsberechnungen von Podded Drives (Propeller und Gehäuse) übertragen werden. Durch systematische Berechnungen mit den verfügbaren Turbulenzmodellen und den Vergleich mit den Ergebnissen von Modellmessungen für unterschiedliche Reynoldszahlen und Grundturbulenzen der Anströmung sollen die Parameter für die CFD-Berechnungen mit einer guten Übereinstimmung mit Modellmessungen ermittelt werden. Durch den Einsatz der hybriden Turbulenzmodelle sind alle Simulationen im Zeitbereich durchzuführen. Die Berücksichtigung des Spalts zwischen Pod und Propeller und die Erfassung der einzelnen Kraftkomponenten ermöglicht, die Wechselwirkungsparameter zu bestimmen. Die CFD-Berechnungen werden sowohl für freifahrende Thruster und Podded Drives wie auch für Thruster und Podded Drives am Schiff durchgeführt.

Die Übertragung der gemessenen Modellkennwerte auf die Reynoldszahl der Großausführung ist auf Grund der Wechselwirkungseffekte zwischen dem Propeller und dem Gehäuse kompliziert. Dafür sollen die Reynoldszahlkorrekturverfahren für Thruster und Podded Drives der SVA und der ITTC durch die durchgeführten CFD-Berechnungen und Geosimmessungen überprüft werden. Ausgehend von der Analyse der Berechnungen und Messungen sowie der prognostizierten Änderung der Propeller- und Gehäusekennwerte sind Änderungen in den Prognoseverfahren vorzunehmen.

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Escort-Schlepper

Ziel des Forschungsthemas ist es, den dynamischen Einfluss eines Escort-Vorgangs auf die Schlepperkräfte schon in der Entwurfsphase vorhersagen zu können und diesen sowohl numerisch als auch versuchstechnisch zu bestimmen.

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Titel: Dynamische Escort-Schleppkräfte  
Laufzeit: 09/2018 – 02/2021
Projektmanager: C. Heinke
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Euronorm GmbH
Reg.-Nr.: 49MF180038

Dafür müssen die entscheidenden dynamischen Ein-flussfaktoren analysiert werden. Sind diese definiert, wird für jeden Faktor eine numerische und expe¬rimentelle Prozedur erarbeitet, um dessen Auswirkung auf die Escort-Schlepperkräfte be-stimmen zu können. Die Ergebnisse dieser dynamischen Untersuchungen werden denen der kon-ventionellen statischen Untersuchungen gegenübergestellt. Die Unterschiede und deren Ursachen werden analy¬siert. Die Ergebnisse werden, soweit möglich, mit Großausführungsmessungen ver-glichen. Auf¬bauend auf diesen Kenntnissen wird am Ende ein Verfahren zur Bestimmung der dy-namischen Escort-Schlep¬perkräfte im Entwurfsstadium entwickelt.

Es werden jeweils ein typischer Vertreter eines VWT und eines ASD Escort-Schleppers verglei-chend untersucht. In der ersten Untersuchungsphase werden die statischen Kräfte der beiden Schleppergeometrien in Escortsituationen bestimmt und verglichen. Da die dynamischen Last-wechsel Auswirkungen auf die Hydrodynamik des Schleppers und der Antriebsorgane als auch auf die Motorendynamik haben, müssen der Einfluss der Umweltbedingungen (Seegang) quantifi-ziert, die jeweiligen Ursachen analysiert und daraus ableitend Entwurfsrichtlinien erarbeitet und ein Un¬tersuchungsprogramm für zukünftige Projekte entwickelt werden, welches den dynami-schen Be¬lastungen von Escort-Schleppern Rechnung trägt.

Es werden Modelluntersuchungen mit freifahrenden Modellen unter realistischen Umweltbedin-gungen (Seegang) und im Glattwasser durchgeführt. Dabei werden unterschiedliche Escort-Situati¬onen (Steuern und Bremsen, max. Steuerkraft, etc.) bei unterschiedlichen Seegängen unter-sucht und verglichen. CFD-Berechnungen, statisch und dynamisch, werden für ausgewählte Fälle reali¬siert. Aus der Analyse der freifahrenden Modellversuche werden die Betriebsbedingungen defi¬niert, bei denen es zu Escortkraftreduzierungen kommt und mit den statischen numerischen und experi¬mentellen Untersuchungen abgeglichen.

Es sollen die international anerkannten Verfahren für die Durchführung und Auswertung von Un-tersuchungen zur Bestimmung von Escort-Schlepper-Kräften kritisch analysiert und verbessert werden.

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ReProDuct

Für die Umrechnung von Modellversuchsergebnissen mit Düsenpropellern auf die Großausführung soll ein Reynoldszahlkorrekturverfahren ähnlich wie für freie Propeller entwickelt werden. Darüber hinaus gehend sollen die geometrischen Einflussfaktoren auf die Wirksamkeit von Düsenpropellern im Modell- und Großausführungsmaßstab durch systematische Messungen und Berechnungen ermittelt, verifiziert und analysiert werden.

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Titel: Entwicklung eines Reynoldszahlkorrekturverfahrens für Düsenpropeller
Laufzeit: 08/2018 – 01/2021
Projektmanager: E. Schomburg
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF180031

Es wird davon ausgegangen, dass der Maßstab (die Reynoldszahl), das Düsenprofil, der Spalt zwischen Flügelspitze und Düseninnenwand, die Wölbungs- und Steigungsverteilung sowie der Flügelumriss einen wesentlichen Einfluss auf die Reynoldszahleffekte bei Düsenpropellern haben. Es ist insbesondere zu prüfen, wie der Spitzenwirbel des Propellers die Durchströmung der Düse und damit die Düsenpropellerkennwerte beeinflusst.

Die Analyse der Reynoldszahlabhängigkeit der Um- und Durchströmung des Düsenpropellers vom Maßstab und von Geometrieparametern soll nicht nur für die Ableitung des Reynoldszahlkorrekturverfahren genutzt werden. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeiten soll in der Klärung des Widerspruchs zwischen dem mess- und berechenbaren Reynoldszahleinfluss auf die Kennwerte von Düsenpropellern und der Nichtanwendung dieser Erkenntnisse in der Praxis (Pfahlzug- und Propulsionsprognosen) liegen.

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Wetterkriterium

Im Rahmen des FuE-Vorhabens sollen alternative experimentelle und zu entwickelnde numerische Simulationsmodelle untersucht werden, die es ermöglichen, auch mit Labormodellen üblicher Größe, wie sie für Widerstands- und Propulsionsversuche zum Einsatz kommen, in Verbindung mit numerischen Simulationen akzeptable Kennwerte zu liefern, die dem Nachweis der Vorschriften des Wetterkriteriums vor allem für derzeit marktbestimmende moderne Großyachten und Fährschiffe Rechnung tragen.

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Titel: Anwendung des IMO-Wetterkriteriums bei großem B/T-Verhältnis
Laufzeit: 05/2018 – 10/2020
Projektmanager: Dr. M. Fröhlich
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF170115

Mit dem Ergebnis des FuE-Vorhabens sollen Empfehlungen formuliert werden, die für die genannten Schiffstypen, die überwiegend durch ein großes Breiten-Tiefgangs-Verhältnis und durch eine hohe Schwerpunktlage gekennzeichnet sind, Alternativen bereitstellen, um den Nachweis für das Wetterkriterium zu liefern.

Das angestrebte kombinierte Verfahren aus Modellversuch und numerischer Simulation zur Ermittlung der im IMO-Wetterkriterium nachzuweisenden Kenngrößen soll es ermöglichen, mit nur einem einzigen Basisversuch und anschließenden numerischen Simulationen die erforderlichen Kennwerte für den Windkrängungshebelarm und den Rückrollwinkel gemäß den Vorgaben des Wetterkriteriums zu ermitteln. Dafür sind umfangreiche Modellversuche mit zwei Labormodellen mit großem Maßstabsunterschied und mit einem weiteren Modell eines Schiffstyps vorgesehen, das ebenfalls nicht den Randbedingungen für B/T und Höhe des Massenschwerpunktes genügt. Unsicherheiten ergeben sich vor allem durch noch nicht zu prognostizierende Maßstabseffekte, Instabilitäten und Konvergenz der Simulationen und Probleme bei der Gittergenerierung für das Simulationsmodell. Simulationen von Bewegungen von Schiffen in regulären Wellen ohne Fahrtgeschwindigkeit sind prinzipiell mit den gegenwärtigen RANSE- Verfahren in guter Qualität beherrschbar.

Zielgerichtete Recherchen, Analysen und Definitionen zu Möglichkeiten, erforderlichen Randbedingungen und Simulationszeiten bilden die Grundlage für eine erfolgreiche Bearbeitung des FuE-Vorhabens und zur Erreichung der Zielstellung. Dabei werden neueste verfügbare Entwicklungen für die geplante Anwendung von RANSE-Lösern, vor allem unter dem Aspekt der Berücksichtigung freier Driftbewegungen ohne Fahrtgeschwindigkeit, berücksichtigt.

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Propeller Cupping

Um Profile mit Cup gezielt im Propellerentwurf für schnelle, mittelgroße Schiffe einsetzen zu können, müssen Propellerentwurfsverfahren so weiterentwickelt werden, dass insbesondere die Strömung hinter dem Cup (Profil mit endlicher Dicke) erfasst und berücksichtigt wird. Im Vorhaben sollen Propeller mit Cup kritisch analysiert werden, um Möglichkeiten zur Verbesserung des Kavitationsverhaltens und zur Verminderung des kavitationsbedingten Schubabfalls zu finden.

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Titel: Propeller Cupping
Laufzeit: 01/2018 – 06/2020
Projektmanager: R. Klose
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF170056

Folgende Ziele werden im Rahmen des des FuE-Vorhabens angestrebt:

  • Entwicklung und Integration eines Modells zur Berücksichtigung von Profilen mit Cup in potenzialtheoretischen Berechnungsverfahren zur Auslegung von Propellern.
  • Analyse der Wirkungsweise und Effektivität von Propellern mit unterschiedlichen Cupvarianten hinsichtlich der Kennwerte ohne und mit Kavitation durch die Analyse von Experimenten und Berechnungen.
  • Integration der Erkenntnisse in den Propellerentwurf für schnelle, mittelgroße Schiffe (Propellerdurchmesser ca. 1 bis 2 m).
  • Entwicklung eines Profils mit Cup für den Grundentwurf von Propellern mit Cup.
  • Ermittlung des Einflusses des Cups sowie Variationen davon auf die Kennwerte ohne und mit Kavitation und Ableitung von Entwurfsgrundlagen.
  • Erarbeitung von Unterlagen zum Betriebsverhalten von Propellern mit Cup (Einfluss der Kavitation auf die Kennwerte, Beschleunigungsverhalten, Vertikalkräfte bei Schräganströmung, Stopp- und Rückwärtsfahrteigenschaften).

 

Im Rahmen der Entwicklung des Modells zur Berücksichtigung des Cups in potenzialtheoretischen Berechnungsverfahren und zur Untersuchung der Wirkungsweise des Cups sollen Messungen mit Tragflügeln (2D) sowohl mit Profilen mit Cup als auch ohne Cup durchgeführt werden. Ausgewählte Messpunkte werden mit einem viskosen Verfahren nachgerechnet. Die Ausbildung der Ablöse- und Kavitationszone hinter dem Profil mit Cup mit stumpfer Hinterkante wird in Freifahrtversuchen überprüft.

Die Kennwerte der Propeller mit Cup werden mit einem potenzialtheoretischen Propellerverfahren berechnet. Der Vergleich von berechneten und gemessenen Kennwerten gibt Aufschluss über die Güte der Modellbildung, die Anwendungsgrenzen und die Notwendigkeit der Präzisierung des Modells. Ausgehend von den Ergebnissen wird eine Variation der Profilform im Bereich des Cups vorgenommen. Auf dieser Basis werden Entwurfshinweise für den Cup abgeleitet.

Ausgewählte Betriebspunkte der Propelleruntersuchungen werden mit den entwickelten Berechnungsverfahren nachgerechnet. Die Ergebnisse der Berechnungen werden an Hand der Modellmessungen validiert. Die Eignung von Propellern mit Cup für moderne schnelle Schiffe soll auf der Grundlage der Berechnungen und Versuche analysiert und zusammengefasst werden.

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Zweischrauber

Ziel des Vorhabens ist die kritische Überprüfung und Vervollkommnung von Verfahren zur Prognose der Propulsion bzw. der Propellerkennwerte für Zweischrauber mit Wellenleitung. Die Reynoldszahleffekte auf die Kennwerte sollen aufgezeigt und besser als bisher im Entwurfsprozess des Schiffes und Propulsionssystem einbezogen werden.

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Titel: Maßstabseffekte auf die Propulsion von Zweischraubern
Laufzeit: 10/2017 – 03/2020
Projektmanager: R. Grabert
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF170024

Die Genauigkeit der rechnerischen und experimentellen Prognosen der Kennwerte von Zweischraubern (Propulsion) und der Propeller (Kavitation, Druckschwankungen, Schallpegel) soll durch die stärkere Beachtung der Reynoldszahleffekte in der Durchführung und Auswertung von Modellversuchen sowie der Verbesserung der viskosen Berechnungen erhöht werden. Zur Weiterentwicklung der Methode für die Propulsionsprognose für Zweischrauber mit Wellenleitung muss der Maßstabseinfluss auf die nominelle und effektive Zuströmung zum Propeller analysiert werden, um eine Korrekturfunktion für die effektive Nachstromziffer ableiten zu können. Der Einfluss der Maßstabskorrektur der effektiven Nachstromziffer auf die Propulsionsprognose (Geschwindigkeit, Drehzahl, Leistung) von Zweischraubern mit Wellenleitung muss überprüft werden. Dazu ist u.a. ein Vergleich mit Ergebnissen von Probefahrten notwendig. Die relevanten Entwurfs- und Betriebsparameter für den Propeller an Zweischraubern mit Wellenleitung sollen möglichst exakt bestimmt werden, um den überwiegend sehr hohen Anforderungen an den Propellerentwurf besser als bisher gerecht zu werden.

Zur Untersuchung der Reynoldszahleffekte auf die Propulsion von Zweischraubern sind viskose Umströmungsberechnungen des Schiffes mit arbeitendem Propeller notwendig. Die Korrelation von nomineller und effektiver Nachstromziffer bei Zweischraubern mit Wellenleitung sowie der Einfluss der rotierenden Welle auf die Zuströmung zum V-Bock und zum Propeller soll ermittelt werden. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Genauigkeit der CFD-Berechnungen müssen grundlegende Untersuchungen zur Variation der Gitter, zu den Turbulenzmodellen und zum Solver durchgeführt werden. Zur Validierung der Berechnungen sollen Geosim-Versuche (Propulsion) mit einem Zweischrauber durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Modellversuche werden für die Propulsionsprognose mit der derzeitigen ITTC-Methode und der weiterentwickelten Methode verwendet.

Durch Berechnungen und Kavitationsversuche in modell- und großausführungsähnlichen Nachstromfeldern soll die Wirkung der Maßstabseffekte auf die Zuströmung und damit auf den Propellerentwurf (Propellerkennwerte, Kavitationsverhalten, Druckschwankungen, Erosionsgefährdung) aufgezeigt werden. Es soll gezeigt werden, dass die Erfassung der großausführungsähnlichen Zuströmung zum Propeller ein wichtiger Aspekt in der Erhöhung der Prognosegenauigkeit ist.

Die Erkenntnisse aus dem Vorhaben werden in die Verfahrensanweisung zur Durchführung und Auswertung von Propulsionsversuchen von Zweischraubern mit Wellenleitung eingearbeitet. Die Ergebnisse des Vorhabens werden der ITTC zur Verfügung gestellt.

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ESD@SHIP

Ziel des Teilvorhabens der Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH (SVA) im Verbundvorhaben ist es, Konzepte zum Schiffslinienentwurf mit ESDs für Off-Design-Bedingungen zu entwickeln und die experimentellen und numerischen Grundlagen dementsprechend zu entwickeln, anzupassen bzw. weiter zu verbessern.

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Titel: ESD@SEA – Entwurf von propulsionsverbessernden Maßnahmen (Energy Saving Devices) bei Betriebsbedingungen
SVA-Teilvorhaben: Schiffsoptimierung unter Berücksichtigung von propulsionsverbessernden Maßnahmen bei Betriebsbedingungen(ESD@SHIP)
Laufzeit: 06/2017 – 05/2020
Projektmanager: R. Grabert
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner: Van der Velden Barkemeyer GmbH, TUHH, MMG
Reg.-Nr.: 03SX436C

Dies gilt besonders unter Berücksichtigung der derzeit vom Markt geforderten Genauigkeiten von numerischen Berechnungen und Laborversuchen. Hier sind insbesondere ein neu zu entwickelndes Mess- und Aufteilungskonzept für die Wechselwirkungen der ESDs mit Schiff und Propeller sowie die Entwicklung von Standard-Prozeduren für die Analyse von ESDs unter realen Betriebsbedingungen wesentlich. Es soll zudem eine effiziente Abarbeitungsprozedur von ähnlichen oder gleichen Fragestellungen erarbeitet werden.

Die Schwerpunkte liegen in der Analyse, welche Auswahl von Betriebsbedingungen den realen Schiffsbetrieb abbilden und den daraus abgeleiteten Rahmenbedingungen für die Schiffsformentwicklung von Schiffen mit ESDs für reale Betriebsprofile. Zwischenschritte zum Erreichen dieses Zieles sind die Definition einer möglichst allgemein verwendbaren Standard-Untersuchungsmatrix zur Bestimmung des realen Leistungsbedarfs von Schiffen in Off-Design-Bedingungen, die Auswahl von zwei Basis-Schiffsgeometrien, die Entwicklung und Beschreibung von Messsystemen zur Messung von Kräften an ESDs und der Bestimmung von Wechselwirkungen zwischen Schiff und ESD im Modellmaßstab, die Methodenentwicklung zur Optimierung der Schiffslinien, die Optimierung unter Berücksichtigung von ESDs und Off-Design-Betriebszuständen. Optimierung auf Grundlage der Untersuchungsmatrix und der bestimmten Wechselwirkungsparameter und die Validierung der Ergebnisse zur Leistungseinsparung der im Optimierungsprozess entwickelten Schiffsformen und EDSs.

Im Ergebnis steht der SVA Potsdam die Messtechnik, die Verfahren und das Know-How zur Verfügung, um auf Basis von gegebenen Betriebsbedingungen den realen Leistungsbedarf von Schiffen zu bestimmen und auf Basis dieses Wissens die Schiffsform unter Berücksichtigung von verwendeten ESDs zu optimieren.

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HiOcav

Im Teilvorhaben der SVA des Verbundvorhabens HiOcav sollen experimentelle und numerische Methoden zur mehrdimensionalen Erfassung der Kavitationserscheinungen am Propeller und der Prognose der vom Propeller induzierten Druckschwankungen konzipiert, entwickelt, erprobt und in die Praxis überführt werden.

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Titel: HiOcav – Verbesserte Prognose der durch die Wechselwirkung zwischen Schicht- und Spitzenwirbelkavitation bedingten Druckschwankungen höherer Ordnung
SVA-Teilvorhaben: Mehrdimensionale optische und akustische Erfassung der Schicht- und Spitzenwirbelkavitation am Modellpropeller
Laufzeit: 06/2017 – 05/2020
Projektmanager: R. Klose
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner: TMS, TUHH (FDS), Uni Rostock (IAE, INT), MMG, FORTech Software GmbH, Otto Piening GmbH
Reg.-Nr.: 03SX435B

Die Messtechnologien des Kavitationsversuchs (Versuchsaufbau, Messtechnik, Messwerterfassung, Messwertauswertung) sollen im Vorhaben auf ein höheres Niveau gehoben werden. Aufbauend auf Arbeiten im FuE-Vorhaben KonKav II sollen zum Entwurf des Dummymodells adjungierte Verfahren in Verbindung mit dem Verfahren CAESES eingesetzt werden. Das bestehende vollparametrische Modell soll verbessert und teilweise ersetzt werden, zusätzlich sollen teilparametrische Modelle der Flächenverzerrung (Morphen) angewandt werden, die der Geometriemanipulation zusätzliche Flexibilität verleihen. Durch die Kopplung von panMARE mit ANSYS und OpenFOAM sollen die Messungen am Propeller effektiv vorbereitet und systematische Berechnungen durchgeführt werden. Die Entwicklung der numerischen Verfahren sowie der Messtechnik zur Erfassung der Kavitation und des Einflusses der Kavitation auf die propellerinduzierten Druckschwankungen sind die Voraussetzungen für die tiefgehende Analyse der Prozesse. Die räumliche Erfassung der Kavitation am Propeller sowie der Wirkung auf die Druckschwankungen ist dabei eine extrem hohe Anforderung, die durch die Zusammenarbeit mit den Partnern gemeistert werden soll.

Dabei stehen folgende Ziele im Fokus:

  • Erhöhte Genauigkeit der Prognose von Druckschwankungen höherer Ordnung durch Verbesserung numerischer Verfahren sowie Weiterentwicklung und Fusion verschiedener optischer und akustischer Messverfahren
  • Besseres Verständnis von Kavitationsvorgängen an der Blattspitze und des Zusammenhangs mit kavitationsinduzierten Druckschwankungen

Im Rahmen des Verbundvorhabens sollen Untersuchungen mit drei unterschiedlichen Versuchsobjekten und -anordnungen durchgeführt werden: Tragflügel (Phase I), Propeller im axialen Nachstromfeld eines Profils (Phase II), Propeller im räumlichen Nachstromfeld am Schiff (Phase III).

Im Ergebnis des FuE-Vorhabens können die Nutzer des Programmsystems panMARE die Kavitation am Propeller und die damit verbundene Vibrationserregung und Geräuschabstrahlung mit größerer Sicherheit prognostizieren. Den Nutzern der experimentellen Fluid Dynamik können Untersuchungen mit höherer Aussagekraft angeboten werden.

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DPQuer

Ziel des Teilvorhabens der SVA Potsdam im Verbundvorhaben ist es, das Verhalten der Schuberzeugung von Querstrahlrudern bei DP-Operationen unter Berücksichtigung der Motionstabilisierung auf Basis von Messungen und numerischen Berechnungen zu untersuchen und damit die Entwicklung der DP-System-Regelung zu unterstützen.

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Titel: DPQuer – Entwicklung eines automatischen Positionierungssystems für Schiffe mit Voith-Schneider Propellern
SVA-Teilvorhaben: Operationsbedingungen von Querstrahlrudern beim dynamischen Positionieren
Laufzeit: 02/2017 – 08/2020
Projektmanager: M. Steinwand
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner: Voith, TUHH, Uni Rostock
Reg.-Nr.: 03SX428D

Die dafür notwendigen experimentellen und numerischen Untersuchungen sollen in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern geplant und an geeigneten Objekten durchgeführt werden.

Die Schwerpunkte können in folgende Etappen unterteilt werden:

  • Definition des Untersuchungsbereichs für die Bestimmung der Schubkräfte von Querstrahlanlagen unter Berücksichtigung des dynamischen Lastenwechsels und von Lufteinbruch
  • Untersuchungen von Querstrahlrudern numerisch und experimentell
  • Validierung der Regelung/Allokationsmodelle mit DP-Versuchen unter Berücksichtigung der Dynamik der Querstrahlanlagen

Im Ergebnis des Verbundvorhabens werden die Dynamik von Querstrahlrudern bei schnellen Schubwechseln, der Einfluss von Lufteinbruch und dessen Reduzierung durch eine geeignete Moti-onstabilisierung in die DP-Regelung (Regelungs- bzw. Allokationssystem) einfließen. Alle Entwicklungen lassen sich auch auf andere Antriebskonfigurationen von Schiff, Antriebs- und Steuersystem, Umweltbedingungen und Versuchsanordnungen, die für das dynamische Positionieren geeignet sind, adaptieren und erweitern.

Im Anschluss der Untersuchungen sollen die, durch die gewonnen Erkenntnisse, unterstützten Einstellungen für das Allokations-/Regelungssystem im Experiment und von den Partnern bei Großausführungsmessungen überprüft werden. Es werden Messungen und Entwicklungen zur Untersuchung von Querstrahlrudern und der dazugehörigen Berechnungen durchgeführt.

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