2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15590Etwa 90% des globalen Handels stützt sich auf Seetransport. Die Dominanz des Seeverkehrs im Bereich des Handelstransports ist durch die sehr niedrigen Transportkosten pro km und Tonne begründet. Die Welthandelsflotte umfasst ca. 45-50 tausend Schiffe, die insgesamt, trotz des niedrigen Transportaufwands, signifikant zur globalen Umweltbelastung beitragen und deren Betrieb einen beachtlichen wirtschaftlichen bzw. finanziellen Aufwand erfordert. Aus diesen Gründen steht der Seeverkehr im Zentrum vieler unterschiedlicher Optimierungsbemühungen. Die schiffsinduzierte Umweltbelastung und ungefähr 50% der direkten Betriebskosten von Handelsschiffen hängen vom Brennstoffverbrauch ab. Dieser ist maßgeblich vom hydrodynamischen Widerstand des Schiffes beeinflusst, welcher größtenteils (schätzungsweise 75%) aus dem stationären Reibungs- und Wellenwiderstand entlang der benetzten Oberfläche besteht. Selbst für kleinste Verbesserungen sind Strategien zur Reduktion dieser Widerstandsbeiträge sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus umweltpolitischen Gründen sehr willkommen.Das beantragte Vorhaben beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung eines simulationsbasierten Verfahrens zur hydrodynamischen Optimierung von Schiffrümpfen unter Berücksichtigung ihrer Schwimmlage bei Zweiphasenströmungen. Die beantragten Arbeiten beschränken sich auf gradientengestützte, adjungierte Optimierungsmethoden und CAD-freie bzw. parameterfreie Formbeschreibungen. Die Arbeitsschwerpunkte sind (i) die genaue und zugleich robuste (konsistente) Formulierung des adjungierten Zweiphasenmodels unter (ii) Berücksichtigung der Schwimmlageänderung, (iii) ein neuer vereinfachender Ansatz zur adjungierten Reynolds-gemittelten Turbulenzbehandlung sowie (iv) eine verbesserte CAD-freie Formbeschreibung für partiell benetzte Oberflächen unter dem Einfluss technischer Nebenbedingungen. Die Anwendungen konzentrieren sich auf völlige Offshore-Versorgungsschiffe und ein vielfach untersuchtes Containerschiff, allesamt bei Froude- und Reynolds-Zahlen von praktischem Interesse. Die Untersuchungsergebnisse sind auf Anlagen zur Gewinnung von erneuerbarer Energie übertragbar, die im küstennahen Bereich unter dem Einfluss der freien Wasseroberfläche arbeiten.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.