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    Simulation-based objective of dynamic systems under the aegis of uncertainties
    Aufgrund von drastisch reduzierten Zeit- und Finanzbudgets für die Entwicklung neuer Produkte, wird die computergestützte Optimierung virtueller Produktprototypen immer bedeutender. Je unabhängiger (robuster) die Leistungsmerkmale eines optimierten Produktdesigns von späteren fertigungs- oder betriebsbedingten Schwankungen sind, desto wirtschaftlicher lässt sich das Produkt herstellen und betreiben. Insbesondere für wartungs- intensive bzw. wartungsfreie Produkte aus dem Hamburger Luftfahrt- und Medizintechnik- umfeld ist ein robustes Design entscheidend. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung innovativer Simulationsverfahren zur robusten Optimierung komplexer Bauteile. Durch die Verschmelzung von Methoden der Angewandten Mathematik und des Theoretischem Maschinenbaus werden hierzu Modelle entwickelt, die dynamische Betriebsbedingungen und unsichere Fertigungsprozesse bei der Optimierung erfassen.
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    Weiterentwicklung von praxistauglichen simulationsbasierten Methoden zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Schiffen mittels Formoptimierung
    Das Verbundvorhaben Dynamo befasst sich mit der Weiterentwicklung von praxistauglichen simulationsbasierten Methoden zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Schiffen mittels Formoptimierung. Der Fokus der technischen Ziele liegt auf der Entwicklung einer robusten sowie effizienten Prozesskette unter ganzheitlicher Berücksichtigung aller praxisrelevanten hydrodynamischen Effekte und Bedingungen. Grundlage der Entwicklungen sind kontinuierlich-adjungierte Theorien zur Sensitivitätsanalyse in komplexen viskosen Mehrphasenströmungen. Primäre wissenschaftliche Ziele des geplanten Vorhabens sind die Nutzung eines diffusen Mehrphasenmodells bei der Formulierung des adjungierten Strömungssimulationsverfahrens, die Betrachtung der veränderlichen Schwimmlage im Optimierungsprozess, die Konvergenzbeschleunigung und die Steigerung der Robustheit des Formoptimierungsprozesses, die verbesserte Behandlung geometrischer Nebenbedingungen und eine Unterstützung des Geometrietransfers an die CAE-Umgebung. Die Verwendung von diffusen anstelle von klassischen scharfen Phasenübergangsbeschreibungen zur Unterstützung der adjungierten Formulierung dient der Robustheitssteigerung, vor allem bei Schiffsumströmungen mit hoher Froude-Zahl und brechenden Bugwellen. Eine neuartige globale Behandlung von geometrischen Nebenbedingungen und lokale (anisotrope) Filterfunktionen zur Kontrolle der Formänderungen unterstützen das Vorhaben. Die erstmalige Betrachtung der Schwimmlageänderung innerhalb der Prozesskette ist eine direkte Konsequenz der ganzheitlichen, praxistauglichen Optimierungsstrategie: starke, lokale Formänderungen haben einen direkten Einfluss auf die aktuelle Schwimmlage, weshalb diese zwingend für das finale Schiffsdesign mitberücksichtigt werden soll. Zur schnelleren Konvergenz des gesamten Prozesses sollen alternative Suchrichtungsstrategien untersucht und implementiert werden. Um die finale, auskonvergierte Form im schiffbaulichen Alltag zu nutzen, wird, ergänzend zur bestehenden CAD-freien Geometriemanipulation, ein Verfahren zum Rückführen der CAD-Parameterwerte entwickelt.
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    Drag Optimisation of Ship Shapes (DROPSS)
    International shipping is responsible for the transport of around 90% of the global trade. The dominant role of shipping is attributable to the low fuel consumption per tonne*km of transported cargo. However, the mere magnitude of around 45-50 thousand operating merchant vessels puts environmental and economic aspects of shipping into the focus of many optimisation efforts. The seaborne pollution as well as approximately 50% of the direct operating costs for shipping are related to fuel consumption, which in turn is governed by the resistance of the vessel. The latter is largely controlled (75% at a guess) by steady hydrodynamic contributions, i.e. the wave drag in calm water and the friction drag along the wetted surface. Means to reduce these drag contributions, even by a few per mille, are highly appreciated from commercial and environmental perspectives.The present proposal is concerned with the development of a computational framework for the hydrodynamic shape optimisation of free-floating ship hulls exposed to immiscible two-phase flows. Attention is confined to gradient-based adjoint methods in a parameter-free optimisation environment. Emphasis is given to wave and friction drag at Froude- and Reynolds-numbers of practical interest. Specific interest refers to (i) accurate and robust adjoint two-phase flow models including (ii) the inclusion of dynamic floatation aspects, (iii) a novel reduced adjoint turbulence treatment and (iv) an improved CAD-free shape parameterization for partially wetted shapes subjected to manufacturing constraints. Applications will focus on a frequently investigated container vessel and a blunt offshore supply vessel. Results will be transferable to the optimisation of other marine engineering applications, e.g. the design of near-shore operating renewable energy devices harvesting ocean waves in the surge zone close to a free surface.
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