2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16073Das globale Ziel des Verbundvorhabens ProNoVi ist die Verbesserung der Genauigkeit von numerischen und experimentellen Methoden zur Bestimmung von propellerinduzierter akustischer Abstrahlung und Vibrationen. In diesem Zusammenhang sollen Entwurfsempfehlungen zur Reduzierung des von Schiffen verursachten akustischen Fußabdrucks erarbeitet werden. Die Gesamtziele des Vorhabens sind im Leitantrag dargestellt. Im Rahmen des Teilvorhabens ProAkus sollen Rechenverfahren für die Vorhersage von Propellerschall im Verlauf der Entwurfsphase weiterentwickelt und implementiert werden. Dabei liegt der Fokus auf Randelemente-Verfahren (Boundary-Element-Methoden BEM), weil diese ein sehr gutes Verhältnis von Genauigkeit zu Rechenaufwand bieten. Für die im vorliegenden Antrag beschriebenen Arbeiten wird das TUHH-eigene Paneelverfahren panMARE eingesetzt. BEM-basierte Verfahren sind in der Lage, Propellerumströmung unter Freifahrtbedingungen schnell und mit für den Entwurf hinreichender Genauigkeit zu simulieren. Um die Einsatzmöglichkeiten dieser Verfahren im Hinblick auf eine aussagekräftige Beurteilung des akustischen Feldes zu erweitern, muss der Schiffsnachstrom in die Simulation einbezogen werden. Dies erfordert jedoch in der Regel eine aufwendige RANSE-basierte (Reynolds averaged Navier-Stokes-Equation) Simulation. Als Alternative zur Berechnung des Nachstromfeldes mittels RANS-Verfahren kann der Schiffsnachstrom auf Grundlage bereits vorliegender Nachstromdaten approximiert werden, um erste Berechnungen in kürzester Zeit zu ermöglichen. Im Teilvorhaben ProAkus soll eine Nachstromdatenbank erstellt und damit eine schnelle und effiziente Approximierung von Nachstromfeldern ermöglicht werden. Hierzu werden bekannte Nachstromfelder mit Hilfe der Fourier-Transformation analysiert und rekombiniert. Beiträge von Rumpf und Anhängen werden getrennt behandelt, sodass es möglich ist, verschiedene Konfigurationen von Rümpfen und Anhängen zu approximieren. Der Datensatz jedes Nachstromfeldes besteht dabei aus Koeffizienten, die die räumliche Variation von axialen und tangentialen Geschwindigkeitskomponenten abbilden. Die Approximation des Nachstromfeldes unter Verwendung der beschriebenen Datenbank setzt ein zeitlich unveränderliches Nachstromfeld voraus, ohne die Auswirkungen des Propellers auf die Nachlaufströmung zu berücksichtigen. Um die beschriebenen Effekte abzubilden, sind Berechnungen mittels RANSE-basierten oder höherwertigen Verfahren unabdingbar. Im Rahmen früherer Forschungsprojekte wurde ein Simulationsverfahren entwickelt, das es erlaubt, in jedem Zeitschritt ein zeitabhängiges, effektives Nachstromfeld in die Lösung mit einzubeziehen. Um dies zu erreichen, wurde der Potentialtheorie-basierte Löser panMARE mit einem Rechenverfahren für viskose Strömung gekoppelt. In diesem Fall wird die Schiffsrumpfgeometrie in die numerische Berechnung einbezogen, während der Propeller über aus der panMARE-Simulation resultierende Quellterme der Impulsbilanzgleichung modelliert wird. Im vorliegenden Projekt soll die Anbindung von panMARE an die drei häufig verwendeten Löser CFX, OpenFOAM und STAR-CCM erfolgen und die Methodik derart erweitert werden, dass panMARE und der jeweilige RANSE-Löser die komplette Rumpfgeometrie berechnen. Gegenüber einer reinen RANSE-Lösung bietet dies den Vorteil, die Rumpfform in die akustische Auswertung ohne großen Rechenaufwand einbeziehen zu können. Schichtkavitation gilt als eine bedeutende Quelle für Druckschwankungen und akustische Signale, und es ist daher zwingend erforderlich, entsprechende Effekte möglichst genau abzubilden. Das derzeit in panMARE implementierte Kavitationsmodell beruht auf der Annahme, dass ein Paneel auf der Propelleroberfläche entweder einen kavitierenden oder nicht-kavitierenden Zustand einnimmt. Dies ist nicht immer realitätskonform, da die Kavitationsgrenzen normalerweise nicht entlang der Gitterlinien verlaufen. Es soll daher ein Ansatz zur virtuellen Teilung der einzelnen Paneele entlang der Kavitationsgrenzen implementiert und so die Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden. In diesem Zusammenhang werden ebenfalls die aktuelle Implementierung der Morino-Kutta-Bedingung und das Verfahren zur Berechnung der Verformung der Nachlaufflächen angepasst. Zur Erhöhung der numerischen Stabilität der Simulation in hochgradig instationären Szenarien wird das entwickelte Kavitationsmodell in das Hauptgleichungssystem des BEM-Lösers integriert. Die akustische Auswertung des Fernfeldes wird im Rahmen des Verbundprojektes hauptsächlich mittels der Ffowcs Williams-Hawkings-Equation (FWHE) erfolgen. Bei BEM-basierten Verfahren wird diese meist in einer vereinfachten Form (Farassats Formulierung 1A) verwendet, in der nur Terme erscheinen, die an der Oberfläche untersuchter Körper auftreten. Für das ProAkus-Teilvorhaben soll die P-FWHE-Methode adaptiert werden, die z.B. in RANSE-basierten akustischen Simulationen zur Anwendung kam. Bei der P-FWHE-Methode werden akustische Terme auf einer nicht an der Strömungssimulation beteiligten Hilfsfläche ausgewertet, die alle für die Schallabstrahlung relevanten Objekte einschließt. Die beschriebene Formulierung ist vorteilhaft, wenn akustische Abschattungseffekte, die z.B. durch Anhänge auftreten können, eine entscheidende Rolle spielen. Künstliche neuronale Netze (KNN) haben sich zur Prognose des Verhaltens verschiedenster Systeme bewährt. In dem geplanten Vorhaben soll ein neuronales Netz geschaffen werden, das den Schalldruck, der sich aus dem Betrieb von Propellern in einem Nachstromfeld eines Schiffsrumpfs ergibt, vorhersagen kann. Der Algorithmus soll in der Lage sein, den Schallpegel an einem vordefinierten Ort auf Grundlage einer Reihe von Parametern zu approximieren, die die Propellergeometrie und die Betriebsbedingungen beschreiben. Die Qualität der Vorhersage richtet sich nach der Ähnlichkeit zwischen dem Propeller und den für das Training des Netzes genutzten Datensätzen. Das entwickelte KNN wird hauptsächlich von den industriellen Partnern genutzt werden, um eine schnellstmögliche erste Abschätzung des akustischen Verhaltens eines Propellers zu erhalten.