Für die Vorhersage der Widerstandskurve eines Gleitrumpfs und die Validierung anhand von Modellversuchen verwendete Marintek in diesem Anwendungsfall Fidelity Marine und Hexpress.
Das Norwegische Institut für Meerestechnologieforschung (MARINTEK) betreibt Forschung und Entwicklung im Bereich der Meerestechnologie für einen globalen Markt, hauptsächlich in den maritimen sowie Öl- und Gassektoren und der Meeresenergie. Die Hauptbüros und Laboratorien von MARINTEK befinden sich in Trondheim, Norwegen. Eine zweckmäßige Kombination aus physikalischen und numerischen Modellierungsansätzen war stets die Strategie von MARINTEK in seinen Forschungsaktivitäten und kommerziellen Dienstleistungen. Die Vorhersage der Leistungsfähigkeit von Schiffen und Propellern, der Entwurfsoptimierungsprozess, Nachstromanalysen und Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Propulsor und Rumpf sind nur einige Beispiele für die Anwendung der CFD in der Schiffshydrodynamik.
STM wurde 1991 durch einen Beschluss des Exekutivkomitees der Verteidigungsindustrie gegründet. Ziel war es, Systemtechnik-, technische Unterstützungs-, Projektmanagement-, Technologietransfer- und Logistikunterstützungsleistungen für die Türkischen Streitkräfte (TAF) sowie das Unterstaatssekretariat für Verteidigungsindustrie (SSM) bereitzustellen. Darüber hinaus sollte das Unternehmen die erforderlichen Softwaretechnologien für Verteidigungssysteme entwickeln sowie nationale Softwarezentren für die Softwareentwicklung, Softwarewartung und Softwareunterstützung einrichten und betreiben.
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Anwendungsfall
Der Gesamtwiderstand eines neuen Patrouillenschiffs unter Flachwasserbedingungen wurde mittels CFD-Simulationen und Modellversuchen bewertet. Die Rumpfform wurde von STM entwickelt und weist die folgenden Hauptabmessungen auf:
| Länge | LPP | [m] | 56.1 |
| Breite | B | [m] | 8.63 |
| Tiefgang | T | [m] | 1.68 |
Das primäre Ziel dieser Fallstudie war die Validierung des numerischen Modells anhand von Modellversuchen, um dem Endkunden in den nachfolgenden numerischen Phasen des Projekts ein hohes Maß an Genauigkeit zu gewährleisten. Die Vorhersagen aus CFD und Modellversuchen wurden für drei Geschwindigkeiten verglichen: 20, 45 und 55 Knoten.
CFD-Simulationen
Der Gesamtwiderstand des Rumpfs wird mittels CFD-Simulationen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten berechnet. Die Simulationen wurden mit Fidelity Marine im Originalmaßstab, unter Tiefwasserbedingungen und in Meerwasser durchgeführt.
Die Geometrie des Schiffs ist mit Hexpress vernetzt. Ein Grenzschichtgitter normal zur Rumpfoberfläche wird spezifiziert, um y+-Werte zwischen 30 und 80 zu erreichen. Aufgrund der Vielfalt der in dieser Studie betrachteten Froude-Bereiche wurden für jede berechnete Geschwindigkeit neue Netze erzeugt. Eine adaptive Gitterverfeinerung wurde mit dem Freiwasseroberflächenkriterium in der Nähe des Rumpfs in der Endphase jeder Simulation verwendet, um die Genauigkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Die endgültigen Netze bestanden aus 5,0 bis 7,5 Millionen Zellen.
In den Simulationen wurde der Antrieb als eine Kraft modelliert, die im Angriffspunkt der Wasserstrahlantriebe aufgebracht wird. Der Luftwiderstand wurde als eine Kraft modelliert, die im Schwerpunkt der projizierten Stirnfläche aufgebracht wird.
Modellversuche
Das Rumpfmodell besteht aus Schaumstoff und Holz und ist mit Farbe beschichtet, um bei einem linearen Maßstab von 1:16 eine hydrodynamisch glatte Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen. Zur Turbulenzanregung wurden feine Sandkörner entlang des Kiels vom Bug bis Spant 17 auf den Rumpf geklebt.
Die Widerstandsversuche wurden mit dem Modell durchgeführt, das von der Hochgeschwindigkeitsschleppeinrichtung von MARINTEK geschleppt wurde, wobei Widerstand, Trimmung und Einsinkung gemessen wurden. Im Versuchsaufbau der Modellversuche kann sich das Modell in Hub-, Roll- und Trimmbewegung frei bewegen, ist jedoch in allen anderen Freiheitsgraden fixiert.
Die Auswirkungen des Luftwiderstands auf die projizierte Fläche oberhalb der Wasserlinie sind auf Grundlage der projizierten Fläche des Schiffs in den Vorhersagen berücksichtigt.
Umrechnung auf den Gesamtwiderstand des Schiffs
Die Umrechnung vom Rumpfmodell (numerisch oder experimentell) auf das Schiff im Originalmaßstab erfolgt mithilfe der Formfaktormethode. Bei dieser Methode wird angenommen, dass sich der Gesamtwiderstand in zwei Anteile aufteilen lässt, die durch den viskosen Widerstand und den Restwiderstand CR (aufgrund von Wirbelbildung, Wellenbildung und Wellenbrechen) dargestellt werden. Der viskose Widerstand wird durch Multiplikation des Reibungswiderstands CF mit einem konstanten Formfaktor k0 bestimmt, der für die Modelle und das Schiff identisch ist. Weiterhin wird angenommen, dass der Restwiderstand CR für die Modelle und das Schiff identisch ist.
Wenn numerische oder experimentelle Ergebnisse in den Gesamtwiderstand des Schiffs RTs umgerechnet werden, wird der Einfluss der Rumpfoberflächenrauheit mithilfe einer empirischen Formel berücksichtigt. Die Ergebnisse werden in Form des dimensionslosen Gesamtwiderstands des Schiffs CTs dargestellt, wobei die Dimensionierung unter Verwendung der dynamischen benetzten Länge und Fläche des Schiffs erfolgt.
Ergebnisse
Die folgende Tabelle vergleicht den vorhergesagten Gesamtwiderstand des Schiffs, der aus dem Modellversuchsansatz und dem CFD-Ansatz erhalten wurde. Für alle Geschwindigkeiten stimmen die Ergebnisse innerhalb von 0,7 % überein. Der hydrodynamische Trimmwinkel stimmt innerhalb von 0,5° überein. Dies ist ein zufriedenstellendes Ergebnis, da die Trimm-Messungen nicht auf Skaleneffekte korrigiert wurden und das CFD-Netz im Bereich des Rumpfs noch weiter verfeinert werden könnte, um diese Anwendung genauer abzubilden, was in dieser Studie jedoch nicht erforderlich war.
| Modelltests | CFD | ||||
| VS [Knoten] | FN [-] | CTS [-] | Trim [deg] | CTS [-] (%) | Trim [deg] (Delta) |
| 20.0 | 0.439 | 8.64 | 0.74 | 8.70 (+0.7%) | 0.64 (-0.10) |
| 45.0 | 0.998 | 4.41 | 1.66 | 4.38 (-0.7%) | 1.32 (-0.34) |
| 55.0 | 1.226 | 3.66 | 2.27 | 3.64 (-0.5%) | 1.75 (-0.52) |
Schlussfolgerung
Die ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen den Modellversuchen und den CFD-Vorhersagen für den Gesamtwiderstand des Schiffs unter Flachwasserbedingungen führt zu einem hohen Vertrauensniveau in die dem Endkunden präsentierten CFD-Ergebnisse.
Das Team
- Endnutzer – Eloïse Croonenborghs, Research Scientist bei MARINTEK, Maritime Division, Trondheim, Norwegen
- Team-Experte – Sverre Anders Alterskjær, Research Scientist bei MARINTEK, Maritime Division, Trondheim, Norwegen
- Endkunden-Experte – Canan TIRYAKI, STM, Ankara, Türkei
- Softwareanbieter – Cadence Design Systems, Inc.
