2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16005In jüngerer Zeit hat die von Schiffen ausgehende Lärmbelastung in den Ozeanen große Aufmerksamkeit seitens der entsprechenden Behörden erfahren. Es ist zu erwarten, dass die Schiffbauindustrie Maßnahmen ergreifen muss, um - bereits in der Entwurfsphase - dem Aspekt der Geräuschminderung gerecht zu werden und die zu erwartenden neuen Vorschriften zu erfüllen.Ein numerischer Simulationsansatz kann von großer Bedeutung sein, um die Ursachen der Geräuschentwicklung zu identifizieren und geeignete Gegenmaßnahmen zu definieren. Es gibt in der Literatur bisher nur wenige Vorarbeiten zu dieser Thematik. Um diese Lücke zu schließen, wird eine enge Zusammenarbeit zwischen den Antragstellern vom Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen sowie dem Institut für Fluiddynamik und Schiffstheorie an der TUHH angestrebt. Es ist dabei das Ziel, die Geräuschentwicklung durch Schiffspropeller zu erforschen, da davon auszugehen ist, dass sie erheblich zur Lärmbelastung beiträgt. In der ersten Projektphase sollen zuverlässige Simulationsmethoden entwickelt werden, die in der zweiten Phase als Basis für eine systematische Verringerung des Geräuschpegels im Fernfeld dienen können. Für die Analyse der Fernfeld-Geräuschentwicklung von Schiffspropellern bedarf es einer Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) in Kombination mit einer akustischen Analyse. Die Antragsteller planen daher, ein partitioniertes Lösungsverfahren zu entwickeln, bei dem spezielle Löser für jedes Teilfeld zum Einsatz kommen. Um den Simulationsaufwand zu minimieren, wird das Fluid durch einen auf der Potentialtheorie basierenden Randelemente-Löser simuliert. Der Einfluss der Schichtkavitation findet ebenfalls Berücksichtigung, da diese als Hauptursache für die Geräuschentwicklung im niedrigen Frequenzbereich gilt. Auf strukturmechanischer Seite wird der Einfluss des Schiffspropellers und des Schiffsrumpfes untersucht. Schiffspropeller sind dünnwandige Strukturen, die im Betrieb große Verformungen erfahren können. Zur Simulation wird die Finite-Elemente-Methode hoher Ordnung weiterentwickelt, um Verschiebungen effizient berechnen zu können und das Locking-Problem zu vermeiden. Im Hinblick auf die Effizienz soll die akustische Analyse im Fernfeld mit Hilfe der Ffowcs Williams-Hawking-Gleichung (FWHE) erfolgen. Hierbei handelt es sich um einen neuen Ansatz im Umfeld von maritimen Anwendungen, vor allem im Zusammenhang mit der FSI. Aufgrund der Tatsache, dass die Simulationsmethoden der beteiligten Teilfelder des Gesamtproblems unterschiedlichen Zeitskalen unterliegen, gilt es, gestaffelte und parallele sub-cycling-Kopplungsverfahren zu entwickeln. Da die FWHE Ergebnisse des Fluid- und des Strukturlösers zur lokalen Emissionszeit nutzt, sollen außerdem die Auswirkungen verschiedener sub-cycling-Methoden auf die akustischen Ergebnisse untersucht werden.Recently, noise pollution in the oceans due to ships has raised a lot of attention from the corresponding authorities. It is expected that the shipbuilding industry will have to take according actions - already at the design stage - for the sake of noise reduction, and also to comply with respective regulations that are expected in the near future.Obviously, a numerical simulation approach can be of significant help to determine the sources of noise generation and to find means to reduce them. So far, however, this topic has not yet been widely discussed in the literature. To fill this gap, we aim to start a close cooperation between the two applicants from the institutes of Ship Structural Design and Analysis and Fluid Dynamics and Ship Theory at TUHH. To this end, the proposed research project is designed to evaluate the noise generated by ship propellers, which are considered to significantly contribute to the noise pollution. In the first period, it is planned to develop reliable simulation methods which, in the second period, can be used to systematically reduce the noise level at the far-field. The far-field noise evaluation of ship propellers requires a simulation of the fluid-structure interaction (FSI) combined with an acoustic analysis. Therefore, we aim to further develop a partitioned solution procedure that makes it possible to employ specialized solvers for each involved sub-field. In this project, the fluid will be simulated by a potential theory based boundary element solver so as to avoid expensive computations. The sheet cavitation effect will be considered too, as it is one of the primary sources of noise generation in the low frequency range. On the structural side, we will consider the effect of ship propellers and also the ship hull. Ship propellers are thin-walled structures and can experience large deformations during operation. Thus, we aim to simulate them by employing novel high-order finite element methods to obtain an efficient representation of the displacements without running into the problem of locking. Regarding the aspect of efficiency, the acoustic analysis at the far-field will be performed using the Ffowcs Williams-Hawking Equation (FWHE) - an efficient and fairly new approach in naval architecture, especially in the cope of FSI. Since the involved sub-fields obey different time scales, we aim to develop staggered and parallel sub-cycling coupling procedures. Furthermore, as the FWHE depends on the results of the fluid and structure solvers at the local emission time, the effects of different sub-cycling related techniques on the acoustic results have to be investigated as well.