Numerische Berechnungen der Schiffshydrodynamik

Einleitung

Im November 2010 wurde in der BAW, Dienststelle Hamburg, begonnen, das wasserbauliche Versuchswesen (EFD, experimental fluid dynamics) mit der Methode der numerischen Strömungssimulation (CFD, computational fluid dynamics) bei der Bearbeitung der Fachaufgabe Wechselwirkung Seeschiff / Seeschifffahrtsstraße zu ergänzen. Seit 1996 ist im Rahmen von Forschungsarbeiten die Entwicklung dieser Methode bei externen Forschungseinrichtungen initiiert und unterstützt worden. Mehrere Gründe sprachen für die Einführung bei der BAW: Zum einen sollte in der BAW Expertise zur Beurteilung numerischer Ergebnisse von Dritten aufgebaut werden, zum anderen sollte das wasserbauliche Modellversuchswesen langfristig unterstützt werden. Numerische Simulationen nehmen auf allen Fachgebieten stark zu und es wird im Hinblick auf die Belastbarkeit dieser Simulationen immer wichtiger, ihre Hintergründe, Randbedingungen und Arbeitsweisen zu verstehen und zu beurteilen. Die Methode der numerischen Strömungssimulation bietet zentrale Vorteile. So können im Modellgebiet einer Simulation an jedem Ort Berechnungen, wie beispielsweise die Strömung direkt unter dem Rumpf eines Schiffes, durchgeführt werden. Vergleichbare Messungen im Schiffswellenbecken der BAW wären nur mit sehr großem Aufwand möglich. Ein weiterer zentraler Vorteil ist die Möglichkeit der schnellen Änderung des Versuchsaufbaus: Der Umbau eines Versuchs von einer flachen zu einer steileren Böschung ist am Computer mit vergleichsweise geringem Zeitaufwand gegenüber dem Aufwand in der Versuchshalle möglich.

Validierung von Squat und Trimm

Die konkrete Einführung der CFD-Methode erfolgte über das Forschungs- und Entwicklungs (FuE)-Projekt „Numerische Berechnung der Schiffshydrodynamik und Manövrierfähigkeit im Flachwasser“. Zum Einsatz kam eine kommerzielle Software, die sowohl im Schiffbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie in weiteren Technologiesektoren eingesetzt und kontinuierlich weiterentwickelt wird. Ein Kernziel des FuE-Projektes war die Errechnung der schiffsdynamischen Parameter Squat (Das Hocken des Schiffs in seiner eigenen Welle) und Trimm (Rotation um die Querachse (Stampfen)) von großen Seeschiffen in seitlich begrenztem Flachwasser. Der Versuchsaufbau des numerischen Modells entsprach dem Aufbau der Versuchsserien in dem Schiffswellenbecken der BAW im Jahre 2001 (Uliczka et al. 2004). Die vorliegenden Daten aus den wasserbaulichen Versuchen erlauben die Einschätzung der Anwendbarkeit des numerischen Verfahrens und schließlich eine Validierung desselben durch Vergleich berechneter und gemessener Werte. Von besonderem Interesse sind die Sensitivitäten der numerischen Parameter der Simulation auf das Ergebnis und Hinweise darauf, wo gegebenenfalls noch deutliche Abweichungen und Probleme in der numerischen Simulation liegen.

Der besondere Aufbau der wasserbaulichen Versuchsserie – sehr geringe Kielfreiheit, seitliche Begrenzung und Bewegung des Schiffs bis beinahe zur Grundberührung – stellte hohe Anforderungen an die Numerik und die Umsetzung im numerischen Modell. Die Schiffsdynamik wird mit einem flexiblen (verformbaren) Netz abgebildet, das jedoch nur geringe Auslenkungen der Bewegung zulässt (Morpher-Technik). Die Fahrt des Schiffs durch das ruhende Wasser wird mit dem Wechsel des Bezugssystems erreicht: Im numerischen Modell ruht das Schiff ortsfest und wird durch das fließende Wasser angeströmt. Um Werte für Squat und Trimm bei hohen Geschwindigkeiten zu errechnen, muss die Strömungsgeschwindigkeit, die das Schiff anströmt, langsam und schrittweise erhöht werden. Dieses geschieht, um während der numerisch erforderlichen Einschwingphase einen Kontakt des Schiffs mit dem Boden zu vermeiden, da in einem solchen Fall die Numerik der Software die Rechnung abbricht.

Die Modellvalidierung (Bild 1) zeigt, dass die numerischen Berechnungen schon nahe an den Messungen im hydraulischen Modell liegen. Der Hecksquat, der bei diesem Schiff den kritischen Parameter darstellt, wird gut getroffen. Der Trimmwinkel ist etwas geringer als der Wert der Messung im Schiffswellenbecken. Zur weiteren Beurteilung muss beachtet werden, dass im Modellversuch das Schiff mit eigenem Antrieb (Propeller) fuhr, während im numerischen Modell nur die Schiffshülle ohne Ruderblatt und Propulsionsorgan durch Anströmung des Rumpfs simuliert wird. Gerade die Beschleunigung des Wassers im hinteren Bereich des Schiffs durch einen Propeller führt zu einem weiteren Absunk des Wasserspiegels im Heckbereich, folglich zu einem größeren achterlichen Squat des Schiffs und somit zu einem weiteren Verdrehen des Schiffs um seine Querachse (größeren Trimmwinkel). Um das numerische Modell zukünftig weiter zu verbessern, muss daher das Modell durch ruhendes Wasser fahren und zusätzlich der Propellerstrahl mit berücksichtigt werden.

Validierung von Belastungsgrößen

Im Rahmen einer Masterarbeit (Ahrens 2017) wurden neben den schiffsdynamischen Kenngrößen Squat und Trimm auch die Belastungsgrößen Sunk (Minimum der Wasserspiegelauslenkung einer Zeitreihe) und die maximale Strömungsgeschwindigkeit (Rückströmung) von Strömungssimulationen mit einem Containerschiff validiert. Die Großausführung des Modellschiffs (PPM52) hatte eine Länge von lpp=347,2 m eine Breite von b = 52 m und einen Tiefgang von t = 14,5 m bei einer Wassertiefe von h = 19,2 m. Das schematische Profil mit den Abmessungen im Modellmaßstab ist in Bild 2 dargestellt.

Der Versuchsaufbau von physikalischem (EFD) und numerischem (CFD) Modell war prinzipiell gleich, unterscheidet sich jedoch im Antrieb des Schiffs und in der Länge des Kanals. Im hydraulischen Modell fuhr das Schiff mit eigenem Propellerantrieb. Im numerischen Modell wurde der Propeller mit einem Modell zeitlicher Mittelwerte (Actuator Disc) abgebildet. Diese modelliert anhand gegebener charakteristischer Kennwerte des verwendeten Propellers den Impulseintrag und die Längskraft auf das Schiff. Das Schiff wurde in der Simulation nach einer sigmoidalen Beschleunigungsphase mit einer konstanten Geschwindigkeit weiter geführt.

Die maximale Länge des hydraulischen Modells von etwa 90 m im Schiffswellenbecken wurde voll ausgeschöpft; im Simulationsmodell wurde ein noch längerer Kanal verwendet. Für die Simulationen wurde die neue Gitter-in-Gitter-Technik (Overset) zur Bewegung von Schiffen verwendet. Damit ist es gegenüber der Morpher-Technik möglich, größere Bewegungen wie die Fahrt eines Schiffes durch ruhendes Wasser in einem definierten Querschnitt zu simulieren.

Es wurden viele Simulationen einschließlich Optimierungen durchgeführt und im Anschluss Kennwerte wie Squat, Sunk und die maximale Strömungsgeschwindigkeit ermittelt (Ahrens 2017). Im direkten Vergleich zu den Messungen aus dem hydraulischen Modell ergaben sich folgenden Abweichungen:

  • maximale Strömungsgeschwindigkeit ~20 % (die Abweichungen betrugen zwischen 1.3 und 5.5 cm/s bei einer Auflösung der Strömungssonde von 0.5 cm/s)
  • maximaler Sunk ~10%
  • Bugsquat ~7%
  • Hecksquat ~15%

Ein Beispiel eines Validierungsergebnisses für den Parameter Sunk in Abhängigkeit der Geschwindigkeit vs zeigt das folgende Bild 3.

Zusammenfassung

Derzeit wird und wurde u.a. für Fragestellungen der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) des Bundes die CFD-Methode in verschiedenen Projekten eingesetzt.
Die bearbeiteten Themen beziehen sich sowohl auf die Schiffsdynamik (Fokus Schiff) als auch auf Belastungsgrößen wie Schiffswellen und Strömungen (Fokus Wasserstraße).
Neben den bereits erwähnten schiffsdynamischen Parametern Squat und Trimm werden beispielsweise in Begegnungssituationen von Schiffen Kräfte und Momente auf diese Fahrzeuge ermittelt. Ebenso wird die CFD-Methode auch in Ausbauverfahren eingesetzt, um vorhabensbedingte Veränderungen von schiffserzeugten Belastungen durch unterschiedliche Bemessungsschiffe in diversen Querschnitten zu prognostizieren.
In den jeweiligen Projekten wird die CFD-Methode ausschließlich oder auch ergänzend zu den hydraulischen Modellversuchen eingesetzt. Die hydraulischen Modellversuche stellen dabei die Validierungsbasis des CFD-Modells dar, um die CFD-Ergebnisse abzusichern.

Literatur

Ahrens, E. C. (2017): Validierung von CFD-Simulationen mit Overset-Technik anhand von Messungen aus Modellversuchen. Masterarbeit. Hochschule Bremen, Bremen. Schiffbau und Meerestechnik.

Uliczka, K. et al. (2004): Dynamisches Fahrverhalten sehr großer Containerschiffe in seitlich begrenztem extremen Flachwasser. In: Hansa 141 (1), S. 59–65.

Mathematische Verfahren