Untersuchung der turbulenten Umströmung des JBC-Massengut-Frachters


Project Acronym
PSDMan - turbUJBC
 
Project Title
Untersuchung der turbulenten Umströmung des JBC-Massengut-Frachters
 
Funding Code
03SX488B
 
 
Principal Investigator
 
Status
Laufend
 
Duration
01-07-2019
-
30-06-2022
 
 
Contractor Organization(s)
 
Abstract
Zur Steigerung der Energieeffizienz von Schiffsantrieben und der damit verbundenen Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen werden sogenannte Energy Saving Devices (ESD) entwickelt. Zu der Familie der ESDs zählen auch sogenannte Vordralldüsen, Pre-Swirl Ducts (PSD), mit denen die Propulsionseigenschaften von Schiffen verbessert werden können. Die positiven Auswirkungen der ESDs auf die Leistungseinsparung sind vielfach dokumentiert und auch im Schiffsbetrieb nachgewiesen. Im Gegensatz dazu blieb bisher der Einfluss einer PSD auf die Manövriereigenschaften eines Schiffes unzureichend untersucht.
Das Hauptziel des geplanten Vorhabens ist daher die Untersuchung des Einflusses von PSDs auf das Manövrierverhalten von völligen Schiffen und die Wechselwirkung zwischen PSDs, Ruder und Propeller. Mit dem Vorhaben wird eine umfangreiche solide Datenbasis zur Validierung von Rechenverfahren für viskose Strömungen zur Verfügung gestellt, die für die numerische Berechnung der Schiffsumströmung inklusive PSDs während eines Manövers verwendet werden kann. Zur Bewertung des Einflusses von PSDs auf die Manövrierfähigkeit sind umfangreiche Strömungsmessungen und Strömungssimulationen erforderlich, mit denen ein tieferes Verständnis der Strömungsverhältnisse gewonnen werden kann. Hierzu gehören die Auslegung und anschließende Bewertung der Wirksamkeit von PSDs und Rudern mittels CFD.
Die Arbeiten des FDS fokussieren sich auf die Validierung und Weiterentwicklung der für die hydrodynamische Analyse von Schiffen eingesetzten numerischen Verfahren. Um die experimentellen Untersuchungen der zeitlich und räumlich hochaufgelösten Umströmung eines völligen Schiffes mit der angestrebten Komplexität durchführen zu können, werden Messungen im hauseigenen Windkanal durchgeführt. Diese sollen mithilfe eines tomographischen PIV-Systems erfolgen, welches eine hohe zeitliche Auflösung von 3D-Geschwindigkeitsfeldern ermöglicht. Gegenstand der geplanten experimentellen und numerischen Untersuchungen werden die Entstehung von komplizierten und hochfrequenten Wirbelstrukturen, die auf reibungsbedingte Strömungsprozesse zurückzuführen sind, und deren Prognostizierung sein.
Bei den experimentellen Untersuchungen steht die Erfassung der komplexen Strömungsprozesse im Mittelpunkt. Dabei wird die Umströmung eines Schiffsmodells bei Geradeausfahrt, konstantem Driftwinkel und instationärer Schräganströmung mit hoher zeitlicher Auflösung bestimmt. Die Messungen umfassen außerdem die Ermittlung der dynamischen Strömungskräfte am Schiffsrumpf und dessen Anhängen.
Ein weiteres Ziel ist die Untersuchung der hydrodynamischen Wechselwirkung einzelner Anhänge (Ruder, Propeller, Düse) untereinander und mit dem Schiffsrumpf. Vertiefend wird im Rahmen des Teilprojekts der Einfluss des Ruders auf Querkraft und Giermoment für verschiedene Ruder- und Gierwinkel untersucht.
Die Kombination der erzielbaren höherwertigen Messergebnisse mit der fortschreitenden Prognosegenauigkeit moderner Turbulenzmodelle ermöglicht eine tiefgreifende Validierung der Berechnungsmethoden. Diese Validierung liefert die notwendigen Informationen für die Entwicklung optimierter Rechengitterstrukturen, eine verbesserte zeitliche Diskretisierung und genauere Turbulenzmodellierung. Außerdem können die Einflüsse der angewandten Randbedingungen und der Größe der Rechendomain auf die Rechenergebnisse genauer spezifiziert werden.
Die im Windkanal gewonnenen Messdaten stellen einen wichtigen Beitrag zur Bestimmung der hydrodynamischen Eigenschaften und Weiterentwicklung von Pre-Swirl Ducts (PSDs) dar und bilden eine wertvolle Ergänzung der bei der BMS/IBMV GmbH und der SVA Potsdam erzielten Ergebnisse.