Aerodynamische Strömungssimulation für Schiffe (Deutsch)

Die aerodynamische Strömung um Schiffe ist turbulent und von starken Ablösungen gekennzeichnet. Es ist daher notwendig, entsprechende numerische Simulationen durch Lösung der zeitgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen mit sogenannten RANSE-Lösern durchzuführen. Auf dieser Basis wird in einem vom BMBF geförderten Forschungsvorhaben bei der HSVA (Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt) ein numerischer Windtunnel entwickelt. Dabei wird untersucht, wie man die wesentliche Wirkung von Aufbauten (Anhängen) in CFD-Rechnungen (CFD, Computer Fluid Dynamics) erfassen kann. Eine wichtige Rolle spielen dabei sogenannte Baffle-Elemente, die an einer Zellwand auch im Inneren des Berechnungsgebiets eine teilweise oder auch vollständige Durchströmung verhindern. Derartige teilweise durchlässige Baffle-Elemente wurden von der Firma ICCM in dem CFD-Code Comet eingebaut. Die Wirkung dieser Elemente wurde zunächst in einer Detailstudie an einer generischen Relingstruktur überprüft, wobei die Reling einmal direkt geometrisch vom Netz erfasst, und einmal durch Baffle-Elemente ersetzt wird. Es zeigt sich, dass die Versperrung der Strömung durch die Reling größer ist, als zunächst erwartet wurde. Dies liegt zum einen an der Grenzschicht, die sich um jede Sprosse der Reling ausbildet. Zum anderen verläuft die Strömung um die Relinge üblicherweise nicht senkrecht zur Reling, sondern wird durch darunterliegende Aufbauten oder den Schiffsrumpf abgelenkt, so daß lokal die Strömung im spitzen Winkel auf die Reling trifft. Nach Erfahrung der numerischen Detailstudien können jetzt entsprechend höhere Versperrungen in den Baffle-Elementen für globale Simulationen vorgegeben werden. Baffle-Elemente zusammen mit Tetraeder-Netzen erlauben in vertretbarer Zeit ausreichend genau Netze um Überwassergeometrien von Schiffen zu erzeugen. Ausgehend von einer CAD-Beschreibung für ein generisches Kreuzfahrtschiff wurde ein Netz mit 3 Millionen Zellen erzeugt. Teil der Untersuchung für das BMBF ist, inwieweit Netze vergröbert werden können, ohne z.B. wesentliche Eigenschaften der Rauchgasausbreitung zu verlieren. Die CFD Simulationen erlauben neben der Bahnverfolgung von Teilchen, auch die Berechnung von integralen Größen, beispielsweise von Kräften. Die bisherigen Ergebnisse des Forschungsvorhabens zeigen, daß CFD für die aerodynamische Untersuchung von Schiffen eine realistische Alternative zu Modellversuchen ist.