Die Trimmoptimierung von Schiffen hat in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen, da sie den Kraftstoffverbrauch deutlich senken und die Emissionen reduzieren kann. Der Widerstand eines Schiffes verändert sich in Abhängigkeit vom Trimmwinkel, selbst bei gleicher Geschwindigkeit und gleichem mittleren Tiefgang. Daher gewährleistet die Vorgabe eines optimierten Trimmwinkels während des Beladungsvorgangs im Hafen einen minimalen mittleren Widerstand während der Reise des Schiffes.
Die wirtschaftlichen Vorteile der Trimmoptimierung
Aufgrund des Potenzials zur Reduzierung der Kraftstoffkosten ist es wirtschaftlich attraktiv, auf Basis einer umfassenden Trimmoptimierungsstudie für verschiedene Betriebszustände eine Datenbank optimaler Trimmwinkel zu erstellen. Darüber hinaus kann die Trimmoptimierung unabhängig vom Schiffstyp und vom Alter des Schiffes durchgeführt werden, wobei das Einsparpotenzial vom jeweiligen Schiffstyp abhängt. Bei einigen Schiffen, beispielsweise Kreuzfahrtschiffen, kann der Trimmwinkel jedoch nicht mit derselben Flexibilität angepasst werden, da der Fahrgastkomfort und die Anforderungen an die Bordeinrichtungen vergleichsweise strenge Randbedingungen vorgeben. Den größten Nutzen bietet die Trimmoptimierung für Schiffe, die häufig im Teillastbetrieb verkehren, wie Ro-Ro-Schiffe und kleinere Containerschiffe. Hier sind Kraftstoffeinsparungen von bis zu 5 % möglich. Bei einem Container-Feeder mit einer Kapazität von etwa 2.000 TEU und einer Fahrtgeschwindigkeit von 22 kn entspricht dies einer Einsparung von rund 35 Barrel Öl pro Tag [source]!
Die Bedeutung des dynamischen Trimmzustands
In der Vergangenheit wurden Schiffe für eine einzige Geschwindigkeit und einen einzigen Tiefgang optimiert, obwohl das Schiff eine große Bandbreite unterschiedlicher Betriebszustände erlebte, die Änderungen der Schiffsgeschwindigkeit und des Tiefgangs erforderten. Heutzutage ist die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ein wegweisendes Werkzeug, um eine Matrix optimaler Trimm- und Tiefgangsbedingungen schnell und mit hoher Genauigkeit zu erstellen. Die Tatsache, dass der Trimm eines Schiffes im Hafen gezielt gegenüber der statischen Lage verändert wird, beeinflusst den dynamischen Trimm während der Fahrt, weshalb dies ebenfalls in den Berechnungen berücksichtigt werden muss.
Hunderte von Simulationen, jeweils eine für jede Kombination aus Ausgangstrimm, Tiefgang und Geschwindigkeit, müssen durchgeführt werden, um die Datenbank für den optimalen Trimm zu erstellen, wodurch Modellversuche ausgeschlossen werden. Zusätzlich werden die Berechnungen direkt im Maßstab des Vollschiffs durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass diese Vorgehensweise erforderlich ist, um die Auswirkungen der Turbulenz, welche die optimalen Trimmwinkel eindeutig beeinflusst, präzise vorherzusagen. Lokale Rezirkulationen und Strömungsablösungen können zu unterschiedlichen Kraftvorhersagen zwischen Modell- und Vollmaßstab führen, da die Reynoldszahl, welche diese Phänomene bestimmt, bei einer geometrischen Maßstabsverkleinerung nicht erhalten werden kann. Im Vergleich zu Potenzialverfahren, welche die Auswirkungen der Turbulenz nicht berücksichtigen, können die widerstandserhöhenden Effekte der Wandrauigkeit (Bewuchs) ebenfalls in die CFD-Analyse einbezogen werden. Somit kann CFD ein wesentlich realistischeres Ergebnis des Schiffswiderstands über die gesamte Lebensdauer des Schiffes liefern.
Aufgrund der Genauigkeit und Konsistenz der Ergebnisse liefert CFD zudem detaillierte Informationen zu komplexen hydrodynamischen Problemen in einem dreidimensionalen Raum. Der Arbeitsablauf kann außerdem in sehr hohem Maße automatisiert werden, da alle erforderlichen Aktionen innerhalb der Software skriptbasiert ausgeführt werden können. Ein Schiffbauingenieur oder Schiffsmaschinenbauingenieur muss lediglich die realen Betriebsbedingungen des Schiffes eingeben, woraufhin die Software alle Simulationen schnell und autonom auf einer einzelnen Workstation oder einem HPC-Cluster einrichtet und ausführt.
Unser Ansatz
In der Praxis erstellt der Matrixmodus von Fidelity Marine C-Wizard n × m × p Berechnungen: jeweils eine Berechnung pro {Tiefgang (n), Trimm (m)}-Kombination für die vorgegebene Liste von Geschwindigkeiten (p). Die Verdrängung bleibt für alle Tiefgang-Trimm-Kombinationen gleich. Die Z-Koordinate der freien Oberfläche bleibt ebenfalls für alle Berechnungen unverändert, da das Schiff verschoben bzw. gedreht wird, um Iso-Verdrängungsbedingungen sicherzustellen. Der Benutzer hat außerdem die Möglichkeit, Freifahrtdaten für reale Propellerleistungen über eine Aktuatorscheibe zu verwenden (Abbildung 2). Dies erhöht die Genauigkeit und den Realitätsgrad der Ergebnisse weiter, während gleichzeitig ein geringer CPU-Aufwand beibehalten wird.
Die vom Strömungslöser berechneten Widerstandskräfte, Momente sowie der dynamische Trimm und die dynamische Absenkung werden im Nachbearbeitungsschritt für jede Kombination aus (Tiefgang, Trimm, Geschwindigkeit) ausgegeben. Dieser Schritt liefert zudem die Verdrängung für jeden Tiefgang. Als Beispiel zeigt Abbildung 3 eine optimierte Trimmtabelle für ein bestimmtes Schiff, die auf Basis der mit Fidelity Marine gewonnenen CFD-Ergebnisse erstellt werden kann.
Es ist interessant festzustellen, dass das gesamte Projekt für alle Hunderte von Berechnungen mit einem einzigen Rechennetz durchgeführt wird! Diese Fähigkeit reduziert die gesamte Rechenzeit erheblich, da die Geometrie und der Rechenbereich nur einmal vernetzt werden müssen, und stellt gleichzeitig sicher, dass die Genauigkeit ebenso hoch bleibt. Die numerische Unsicherheit, die durch die Erstellung unterschiedlicher Rechennetze entsteht, wird dabei gleichzeitig beseitigt. Dies wird durch die einzigartige adaptive Gitterverfeinerung von Fidelity Marine (Abbildung 4) erreicht, die während der Simulation alle unnötigen Verfeinerungen der freien Oberfläche auf anisotrope, automatische und dynamische Weise übernimmt.
Schlussfolgerung
Die Trimmoptimierung ist eine vergleichsweise einfache Methode für Schiffseigner, um die Betriebskosten zu reduzieren. Während es in der Vergangenheit möglicherweise nicht möglich war, genaue Widerstandsvorhersagen für eine große Matrix aus Ausgangstiefgängen, Trimmwinkeln und Geschwindigkeiten zu erhalten, ist CFD heute das Werkzeug der Wahl, um eine Datenbank optimaler Trimmwinkel schnell und mit hoher Genauigkeit zu erstellen. Die einzigartigen Funktionen von Fidelity Marine, wie der Single-Mesh-Ansatz mit adaptiver Gitterverfeinerung sowie die Verwendung realer Freifahrtdaten für den Antrieb, positionieren die Software als die umfassendste CFD-Werkzeuglösung für matrixbasierte Widerstandsanwendungen.
