Optimierung des Hinterschiffes einer 50 kn RoPax Fähre für ein geändertes Antriebskonzept.

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1 Optimierung des Hinterschiffes einer 50 kn RoPax Fähre für ein geändertes Antriebskonzept. 1 Aufgabenstellung 1.1 Problemstellung Ziel dieser Aufgabe ist es, das Hinterschiff einer etwa 50 kn schnell fahrenden RoPax Fähre zu optimieren. Es handelt sich dabei um kein gebautes Schiff, sondern bisher nur um ein Projekt, das im Rechner erstellt wurde. Dieses Projekt dient als Grundlage zur Forschung, welche Leistungen mit modernen Mitteln erzielt werden können im Hinblick auf Leichtbau mit höherfesten Stählen. Dabei soll eine möglichst hohe Geschwindigkeit erreicht werden. Da dieses Schiff bisher weder real noch als Modell existiert, liegen keine gemessenen Werte für Widerstände und Höchstgeschwindigkeit vor, sondern nur Prognosen, basierend auf Ergebnissen aus CFD-Rechnungen mit Methoden der Potentialströmung. Da die auf diese Weise berechneten Werte keine verlässliche Widerstandsprognose darstellen, ist Bestandteil dieser Arbeit, die Ergebnisse solcher Rechnungen bei hohen Froudezahlen zu überprüfen. Zu diesem Zweck werden bei zwei unterschiedlichen Schiffen, deren Widerstandswerte aus Modellversuchen bekannt sind, die Ergebnisse von CFD-Rechnungen mit denen aus den Modellversuchen verglichen. Bisher sieht das Ausgangsprojekt einen Antrieb mit sechs Waterjets vor. Diese Antriebsart erfordert eine Heckform, die aus Widerstandsgesichtspunkten nicht optimal ist. Ein Jetantrieb erfordert immer einen Spiegel, der mindestens bis zum halben Durchmesser des Antriebes getaucht ist. Daraus resultiert ein höherer Widerstand als wäre der Spiegel ausgetaucht, da durch die Tauchung eine stark ausgeprägte Heckwelle entsteht. (Die Wellenbildung ist auf Seite 3 als Ergebnis einer CFD-Rechnung dargestellt.) Gleichzeitig haben bei sehr hohen Geschwindigkeiten Jetantriebe einen höheren Wirkungsgrad als konventionelle Propeller. Hauptbestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung, ob sich die Heckform so weit optimieren läßt, daß der schlechtere Wirkungsgrad der Propeller durch einen geringeren Widerstand des Rumpfes ausgeglichen werden kann. 1.2 Beschreibung des Ausgangsschiffes Hauptdaten Das Ausgangsschiff, im folgenden als FasdHTS bezeichnet, ist eine RoPax Fähre mit den in der Tabelle angegebenen Abmessungen und Kennwerten. Es handelt sich um ein konventionelles Einrumpfschiff. Die Fähre ist vorgesehen für den Einsatz im Mittelmeer und kann 71 Lkw, 170 Pkw und ca Personen transportieren. Die Dienstgeschwindigkeit soll 50 kn betragen. 1/28

2 L oa 221,50m L pp 205,00m B oa 24,70m B W l 24,70m Seitenhöhe: -bis Freiborddeck 9,00m -scantling 19,30m Tiefgang: -design 5,50m -scantling 5,50m L/B 8,30 B/T 4,49 C B 0,35 Lightshipweight 6900t Deadweight 3000t Abbildung 1: Linienriss des Ausgangsschiffes Ein Schiff dieser Art existiert bisher noch nicht. Deswegen liegen keinerlei Erfahrungen bezüglich Widerstand oder benötigter Antriebsleistung vor. Eine Möglichkeit der Prognose wäre die Betrachtung einer Vergleichsserie und die Umrechnung der Ergebnisse auf den FasdHTS. Auf Grund der hohen Geschwindigkeit käme dafür nur die D-Serie in Frage, die als Vergleichsserie für schnelle Zweischraubenschiffe dient. Grundlage der D-Serie war der Rumpf einer Korvette aus den 90er Jahren. Bereits bei der Projektierung des FasdHTS in der Ausgangsform zeigte sich, daß die aus der D-Serie ermittelten Widerstände deutlich zu hoch sein würden. Damit ist diese Form der Widerstandsprognose in diesem Fall nicht sinnvoll. Die einzige weitere Möglichkeit der Widerstandsprognose im Entwurfsstadium ist eine numerische Simulation mittels CFD. Auf diese Art ist die Form des FasdHTS optimiert worden. Da für Entwurfszwecke nur CFD-Programme in Frage kommen, die nach der Potentialtheorie arbeiten, birgt diese Methode eine Reihe von Fehlern, die später genauer betrachtet werden Antriebskonzept Der FasdHTS wird angetrieben von 4 Gasturbinen mit je kw und 2 schnellaufenden Dieselmotoren mit je 8200 kw. Insgesamt ergibt das eine Antriebsleistung von kw. Die Maschinenleistung wird über sechs Waterjets, 4 große und 2 kleine schwenkbare, ins Wasser gebracht. Waterjets haben im allgemeinen bei Geschwindigkeiten über 35 kn einen höheren Wirkungsgrad als konventionelle Propeller. Allerdings erfordern sie einen statisch getauchten Spiegel, da ein Waterjet bis mindestens zur Hälfte seines Durchmessers im Wasser liegen muß, um arbeiten zu können. Die größten Antriebe, die für den FasdHTS vorgesehen sind, haben einen Durchmesser von vier Metern, so daß sich eine statische Spiegeltauchung von mindestens zwei Metern ergibt. 2/28

3 1.2.3 Wellenbildung Die folgenden Bilder zeigen Prognosen des Wellenbildes bei 40 kn und bei 50 kn. Das Bild bei 40 kn zeigt Ergebnisse einer Rechnung mit dem CFD-Programm KELVIN, das Bild bei 50 kn Ergebnisse einer CFD-Rechnung mit dem Programm SHALLO. Beide Programme arbeiten nach der Potentialtheorie. Systembedingt können also Sprünge im Druckverlauf berechnet werden, die in der Realität nicht auftreten können. Das führt zu Problemen im Bereich des Spiegels. Gerade dort treten rechnerisch Sprünge im Druckverlauf auf, da es sich um die Umströmung einer Kante handelt. Bei KELVIN wird der Spiegel vom Programm nicht beachtet, für SHALLO liegen Paneele auf dem Spiegel. Abbildung 2: Wellenbildung des FasdHTS bei 40 kn (links) und bei 50 kn (rechts) An den Bildern ist eine unterschiedliche Auflösung der Wellenbildung bei den veschiedenen Programmen zu erkennen. Hier wurden wegen numerischer Probleme für die zwei Geschwindigkeiten unterschiedliche Programme verwendet. Auf die Probleme wie auch auf die Eigenarten der Potentialtheorie wird im folgenden Kapitel genauer eingegangen. Auf den ersten Blick ist zu sehen, daß die Wellenbildung im Nachlauf sehr stark ist. Ob die Heckwellen in der Realität so aussehen, ist fraglich. Hier kann es sich auch um Fehler handeln, die auf Grund der Verwendung der Potentialtheorie entstehen. Die Beantwortung dieser Frage und wie gut sich die Wellenbildung optimieren läßt, sind Aufgaben dieser Arbeit. 3/28

4 2 Überprüfung der Prognosen aus CFD-Berechnungen 2.1 Allgemeines Als Programm zur CFD-Berechnung wird das Programm KELVIN verwendet. Dieses Programm arbeitet nach der Potentialtheorie. Es geht von einem reibungsfreien Fluid und einem rotationsfreien Feld im gesamten Lösungsgebiet aus. Aus diesem Grunde werden einige Phänomene einer realen Umströmung des Schiffes nicht betrachtet. Dies sind in erster Linie Stetiger Druckverlauf ohne Sprünge (z.b. bei der Umströmung von Kanten) Ablösungen auf Grund sehr starker Änderungen der Schiffsform, vor allem am Hinterschiff Zähigkeitsbedingter Reibungswiderstand Zähigkeitsbedingter Druckwiderstand Die Anwendung der Potentialtheorie birgt gerade im Bereich des Hinterschiffes große Fehlerquellen. Nach der Potentialtheorie sind Sprünge im Druckverlauf möglich. Damit wird bei einer Kantenumströmung ein Drucksprung berechnet, der in der Realität nicht auftreten kann. Bei einem getauchten Spiegel liegt eine solche Kantenumströmung vor, wenn die Strömung nicht sauber abreißt. Die Rechnung ist somit nur richtig, wenn die Spiegelkante nicht umströmt wird, d.h. wenn der Spiegel auch bei Fahrt nicht getaucht ist. Eine Kutta sche Abflußbedingung ist im Programm KELVIN nicht implementiert, so daß nicht in jedem Fall ein sauberer Strömungsabriß vorausgesetzt wird. Wegen oben genannter Vereinfachungen seitens des verwendeten Programms und der daraus resultierenden Fehler steht ein Vergleich der Ergebnisse mit Rechnungen nach der Potentialtheorie mit Ergebnissen aus Modellversuchen vor der eigentlichen Optimierung des FasdHTS. Nach der Theorie müßten sich in der Rechnung zu niedrige Widerstandswerte ergeben, da die Potentialtheorie eine überhöhte Heckwelle simuliert, die zu einer virtuellen Widerstandsverkleinerung führt. Die Anwendung von Programmen, die viskose Effekte betrachten und die genannten Vereinfachungen nicht machen, ist im Entwurfsprozeß derzeit noch nicht sinnvoll, da diese Programme aufwändig und bei heutigen Rechnerleistungen zu langsam sind. Zur Überprüfung der Berechnungen stehen zwei unterschiedliche Schiffstypen zur Verfügung. Zum einen die D-Serie, zum anderen eine schnelle RoPax Fähre. Für beide Schiffstypen liegen Ergebnisse aus Modellversuchen vor für Froudezahlen deutlich über F n = 0, 30 Alle CFD-Rechnungen in diesem Kapitel werden mit dem Programm KELVIN durchgeführt. Ergebnisse einer Rechnung sind Wellen- und Gesamtwiderstand sowie die dynamische Vertrimmung. Der Vergleich mit den Modellversuchen beschränkt sich auf den Gesamtwiderstand und den dynamischen Trimm. In Diagrammen werden die jeweiligen Werte als Kurven aufgetragen über der Froudezahl, die hier mit der Länge zwischen den Loten (L pp ) gebildet ist. Die Kurvenverläufe werden zwischen den berechneten Punkten interpoliert. Alle verwendeten Widerstandswerte sind bare-hull Widerstände. Die Werte beziehen sich also immer auf den reinen Rumpf ohne Anhänge. Auch die von den Versuchsanstalten bestimmten Modell-Schiff- Korrelationsfaktoren (C A ) werden herausgerechnet, um den Unterschied zwischen Modellversuch und CFD-Rechnung genauer erfassen zu können. Zur Erstellung der Körpernetze für die Rechnungen kommt der Netzgenerierer EUMGRID zum Einsatz. Um eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen, werden alle Geschwindigkeiten eines Schiffes mit demselben Netz gerechnet. Bei dem RoPax 2000 werden systematisch verfeinerte Netze verwendet, damit eine eventuelle Abhängigkeit der Rechenergebnisse von der Gitterfeinheit erkannt wird. 4/28

5 Die zu untersuchenden Geschwindigkeitsbereiche sind bei beiden Schiffen durch die Versuchsergebnisse vorgegeben. Bei der D-Serie kann allerdings nicht der gesamte Geschwindigkeitsbereich betrachtet werden, da ab einer Froudezahl von F n = 0, 458 numerische Probleme auftreten. 2.2 Schiffe zur Überprüfung der Methoden D-Serie Grundmodell D9 Als Typschiff wurde das Grundmodell D9 der D-Serie gewählt. Die D-Serie wurde mitte der 90er Jahre als Vergleichsserie für schnelle, breite Schiffe geschleppt. Grundlage für die Form der D-Serie war der Linienriss einer modernen Korvette ohne Bugwulst. Für die Serie wurden Widerstände im Schlepptank bei Froudezahlen zwischen 0,2 und 0,8 ermittelt. Die Abmessungen und Daten einer Serie werden immer in dimensionsloser Form angegeben, um sie auf Schiffe beliebiger Größe umrechnen zu können. In folgender Tabelle sind die Werte aufgeführt, die sich ergeben, wenn das Grundmodell D9 auf die Länge des FastHTS gebracht wird. L oa 212,30m L pp 205,00m B oa 32,85m B W l 31,26m Seitenhöhe: -bis Freiborddeck 15,41m -scantling 15,41m Tiefgang: -design 7,55m -scantling 7,55m L/B 6,56 B/T 4,14 C B 0,51 Die Linien wurden in Breite und Tiefgang nicht verzerrt, da nur so eine gute Vergleichbarkeit der Rechnung mit den Modellversuchsergebnissen gesichert ist. Dieses Schiff dient nur zur Überprüfung der Methoden und nicht dazu, eine Widerstandsprognose für den FasdHTS zu liefern. In der folgenden Abbildung ist der Linienriss des Grundmodells D9 dargestellt. Abbildung 3: Linienriss des Grundmodells D9 der D-Serie Auffällig an den Linien ist der steile Verlauf der Schnitte im Achterschiff. Daraus resultierend ist eine hohe Heckwelle und ein bei hoher Geschwindigkeit achterlicher Trimm zu erwarten. Beides zeigt sich auch bei den Modellversuchen. Für die Rechnung mit KELVIN wird bei diesem Schiff ein recht grobes Körpernetz gewählt. Das Gitter ist in keinem Bereich lokal verfeinert. 5/28

6 Abbildung 4: Körpernetz des Grundmodells D9 der D-Serie für die CFD-Rechnung RoPax 2000 Das zweite untersuchte Schiff ist eine schnelle RoPax Fähre, die eine ähnliche Heckform hat wie der FasdHTS. Das Vorschiff ist jedoch etwas völliger als bei dem FasdHTS und mit einem Bugwulst versehen. Die Hauptdaten des RoPax 2000 sind in unten stehender Tabelle zusamengefaßt. L oa 140,37m L pp 133,08m B oa 23,20m B W l 23,20m Seitenhöhe: -bis Freiborddeck 7,5m -scantling 14,21m Tiefgang: -design 5,35m -scantling 5,50m L/B 6,05 B/T 4,34 Für den RoPax 2000 liegen bare-hull Versuchsergebnisse vor für Froudezahlen bis F n = 0, 399. Die hohen Fahrbereiche des FastHTS werden nicht erreicht. Dieses Schiff dient in erster Linie dazu, einen Vergleich von CFD und Modellversuch im Hinblick auf dynamischen Trimm durchzführen. In der folgenden Abbildung ist der Linienriss des RoPax 2000 dargestellt. Abbildung 5: Linienriss des RoPax 2000 Der RoPax 2000 wird mit drei Heckvarianten untersucht, die sich lediglich in der Größe eines Staukeils unterscheiden. Aus diesem Grund werden Koerpernetze gewählt, die nach achtern hin verfeinert sind. Die Staukeile werden so am besten aufgelöst und deren Effekt läßt sich genauer erfassen. Um eine Abhängigkeit der Ergebnisse von der Gitterteilung zu bekommen, werden alle drei Heckvarianten mit je drei systematisch verfeinerten Gittern gerechnet. 6/28

7 Abbildung 6: Grobes Körpernetz des RoPax 2000 für die CFD-Rechnung. Paneellänge: 2 Abbildung 7: Mittleres Körpernetz des RoPax 2000 für die CFD-Rechnung. Paneellänge: 1 Abbildung 8: Feines Körpernetz des RoPax 2000 für die CFD-Rechnung. Paneellänge: 0,5 Bei den zwei Staukeilen für dieses Schiff handelt es sich um gerade Keile, die nicht in die Heckform eingestrakt sind. Sie beginnen jeweils am höchsten Punkt des Schraubentunnels und laufen dann mit konstantem Winkel gerade nach achtern und über die gesamte Breite, so daß sich auch eine Absenkung des Spiegels ergibt. Der kleinere der beiden Keile hat am Spiegel die halbe Höhe des größeren Keils. 7/28

8 2.3 Überprüfung der Widerstandsprognosen Im folgenden sind in Diagrammen die mit CFD berechneten und die aus Modellversuchen ermittelten Gesamtwiderstandswerte der Großausführungen über der Froudezahl aufgetragen. Der Übersichtlichkeit halber wurde für jede untersuchte Variante ein eigenes Diagramm erstellt. Auf die Beziehungen zwischen den einzelnen Varianten wird anschließend eingegangen. Zunächst die Ergebnisse des Typschiffes D9 der D-Serie Abbildung 9: Vergleich der mit KELVIN berechneten Widerstände mit Widerständen aus Modellversuchen beim Typschiff D9 Im Vergleich ist zu erkennen, daß die vom Programm KELVIN berechneten Widerstände den richtigen Verlauf der Widerstandskurve widergeben. Die berechneten Werte sind erwartungsgemäß zu klein. Bei diesem Schiff ergaben sich bei den Modellversuchen in dem untersuchten Geschwindigkeitsbereich brechende Bugwellen, die im CFD systembedingt nicht entstehen können. Nachfolgend ist die mit KELVIN berechnete Wellenbildung dargestellt. 8/28

9 Abbildung 10: Wellenbildung des Typschiffes D9 bei 40 kn (F n = 0, 459) An obiger Abbildung fällt die extreme Wellenbildung des D-Serienschiffes auf. Vor allem die Längswellen sind - verglichen mit anderen Schiffen - stark ausgeprägt. Aus dieser Wellenbildung resultieren die recht hohen Widerstände. Wird die Wellenbildung mit der Wellenbildung des FasdHTS (s. Seite 3) verglichen, so ist offensichtlich, daß der Widerstand der D-Serie für den FasdHTS keine sinnvolle Prognose darstellt. Der Vergleich der Ergebnisse des RoPax 2000 sieht wie folgt aus: Abbildung 11: Vergleich der Widerstände aus CFD-Rechnung und Modellversuch beim RoPax 2000 ohne Staukeil 9/28

10 Abbildung 12: Vergleich der Widerstände aus CFD-Rechnung und Modellversuch beim RoPax 2000 mit kleinem Staukeil Abbildung 13: Vergleich der Widerstände aus CFD-Rechnung und Modellversuch beim RoPax 2000 mit großem Staukeil 10/28

11 Auch bei dem RoPax 2000 sind die berechneten Widerstandswerte über den gesamten Geschwindigkeitsbereich kleiner als die Widerstände aus dem Modellversuch, qualitativ aber in Ordnung. Wird die Heckvariante ohne Staukeil mit der D-Serie verglichen, dann fällt auf, daß die Übereinstimmung der Rechenergebnisse mit den Ergebnissen aus den Modellversuchen nicht so gut ist wie bei der D-Serie. Das liegt vermutlich an dem hohen Längswellenanteil des Schiffes der D-Serie. Der Widerstand der Längswellen wird vom Programm KELVIN systembedingt besser prognostiziert als der Widerstand der Heckwellen. Der RoPax 2000 ist bezüglich der Längswellen optimiert und hat somit einen geringen Anteil an Längswellen. Ein Wellenbild des RoPax 2000 bei einer Froudezahl von F n = 0, 459 (wie das Bild der D-Serie auf Seite 9) kann hier nicht gezeigt werden, da bei der Rechnung numerische Probleme auftraten. Die Gitterteilung hat auf die Genauigkeit der Ergebnisse wenig Einfluß. Wie erwartet liefert das feinste Gitter zwar die genauesten Ergebnisse, die Werte der verschiedenen Gitterteilungen liegen jedoch in einem so engen Bereich, daß sich die längere Rechenzeit bei einem feineren Gitter nicht auszahlt. Für den RoPax 2000 ist noch zu untersuchen, ob die Beziehungen zwischen den verschiedenen Heckvarianten durch die CFD-Rechnung korrekt widergegeben werden. Der Modellversuch ergab eine Widerstandsverbesserung bei der Verwendung von Staukeilen. In folgender Tabelle sind die Werte der CFD-Rechnungen und die Werte des Modellversuchs bei der Dienstgeschwindigkeit des Schiffes von 26 kn (entspricht F n = 0, 37) aufgeführt. Heckvariante Geschwindigkeit Froudezahl Widerstand Versuch Widerstand CFD kein Staukeil 26 kn 0, kn 878 kn kleiner Keil 26 kn 0, kn 912 kn großer Keil 26 kn 0, kn 937 kn An den Werten der Tabelle ist zu sehen, daß die im Modellversuch durch die Verwendung von Staukeilen aufgetretene Widerstandsverkleinerung mit der Rechnung nicht übereinstimmt. Der CFD-Rechnung zufolge erhöht sich der Widerstand durch die Verwendung eines Staukeils. Dieser Effekt kann dazu führen, daß ganz allgemein eine Verbesserung des Widerstandes durch eine Änderung der Rumpfform vom CFD nicht als Verbesserung erkannt wird. Es kann also vorkommen, daß nach einer Formänderung das CFD- Programm einen größeren Widerstand ausrechnet als vorher, obwohl real eine Widerstandsverkleinerung entstanden ist. Bei einer Optimierung mittels CFD kann dieser Effekt nur an der Wellenbildung oder der Druckverteilung am Rumpf erkannt werden. Wie bei geringen Geschwindigkeiten sollten also auch bei hohen Geschwindigkeiten immer die Druckverteilung am Rumpf und die Wellenbildung für eine Optimierung ausschlaggebend sein. 11/28

12 2.4 Überprüfung der Trimmprognosen Im folgenden sind in Diagrammen die mit CFD berechneten und die aus Modellversuchen ermittelten Werte für den dynamischen Trimm der Großausführungen in min über der Froudezahl aufgetragen. Zunächst die Ergebnisse des Typschiffes D9 der D-Serie Abbildung 14: Vergleich der mit KELVIN berechneten Trimmwinkel mit Trimmwinkeln aus Modellversuchen beim Typschiff D9 Der Vergleich der Vertrimmung läßt erkennen, daß die CFD-Rechnung einen etwas zu vorlichen Trimm liefert. Der Tiefpunkt des Trimmverlaufs bei F n = 0, 375 ist außerdem stärker ausgeprägt als im Modellversuch. Der qualitative Verlauf ist ähnlich gut wie bei den Widerstandswerten. Der zu stark vorliche Trimm stammt vermutlich aus der rechnerisch zu hohen Heckwelle. Die Vertrimmung des RoPax 2000 stellt sich folgendermaßen dar: 12/28

13 Abbildung 15: Vergleich der Vertrimmung aus CFD-Rechnung und Modellversuch beim RoPax 2000 ohne Staukeil Abbildung 16: Vergleich der Vertrimmung aus CFD-Rechnung und Modellversuch beim RoPax 2000 mit kleinem Staukeil 13/28

14 Abbildung 17: Vergleich der Vertrimmung aus CFD-Rechnung und Modellversuch beim RoPax 2000 mit großem Staukeil Auch bei diesem Schiff ist die berechnete Vertrimmung über den gesamten untersuchten Geschwindigkeitsbereich zu vorlich. Die Abhängigkeit der Ergebnisse von der Gitterteilung ist ausgeprägter als bei den Widerstandswerten. Die Tendenz, einen zu stark vorlichen Trimm auszurechnen, verstärkt sich bei der Verwendung von Staukeilen. Desweiteren nimmt die Abhängigkeit der berechneten Ergebnisse von der Gitterteilung zu. Dabei liefert nicht immer das feinste Gitter die besten Ergebnisse. Das gilt nur bis zu einer Froudezahl von F n = 0, 365. Über den gesamten untersuchten Bereich zeigt bei dem kleinen Staukeil das gröbste Gitter, bei dem großen Staukeil das feinste Gitter den besten qualitativen Verlauf. Bei dem großen Staukeil liegen die Ergebnisse der beiden gröberen Gitter sehr dicht beieinander und sind deutlich schlechter als die Werte des feinen Gitters. Der Effekt des zu stark vorlichen Trimms entstammt auch hier vermutlich aus einer vom Programm überschätzten Heckwelle. Auf den Bildern der folgenden Seiten ist die Wellenbildung des RoPax 2000 dargestellt. Dort wird auf die Wellen, speziell auf die Hecksee, noch einmal genauer eingegangen. Versuche, mit anderen Körpernetzen bessere Ergebnisse zu bekommen, sind an numerischen Problemen des Programms KELVIN bei hohen Geschwindigkeiten gescheitert. Die bisherige Untersuchung zeigt, daß es sinnvoll ist, ein Schiff nach Widerstandsgesichtspunkten mit CFD zu optimieren, da die Widerstandswerte vom Programm recht gut getroffen werden. Die Einstellung der dynamischen Vertrimmung sollte dann im Schlepptank mit Modellversuchen erfolgen, da der Trimm von der CFD-Simulation stark überschätzt wird. Die Hinterschiffe des RoPax 2000 mit Staukeilen werden im folgenden genauer untersucht. 14/28

15 2.5 Besonderheiten von Staukeilen Bei der Rechnung des RoPax 2000 mit Staukeilen traten gewisse Probleme auf. Häufig führte die Rechnung zu singulären Gleichungssystemen oder die berechnete dynamische Schwimmlage war nicht stabil. Dieses Phänomen war bei den anderen untersuchten Schiffen erst bei höheren Geschwindigkeiten festzustellen. Zur näheren Untersuchung dieses Umstandes sind nachfolgend Bilder der Wellenbildung und der Druckverteilung auf dem Rumpf bei 26 kn (F n = 0, 370) von den verschiedenen Heckvarianten des RoPax 2000 aufgeführt. Desweiteren kann an den Bildern eine mögliche Abhängigkeit der CFD- Ergebnisse von der Gitterteilung erklärt werden. Abbildung 18: Wellenbildung der Heckform ohne Staukeil bei 26 kn. links: grobe Gitterteilung, rechts: feine Gitterteilung Abbildung 19: Druckverteilungen der Heckform ohne Staukeil bei 26 kn. links: grobe Gitterteilung, rechts: feine Gitterteilung In den vorherigen Kapiteln wurde festgestellt, daß bei der Heckvariante ohne Staukeil nur eine geringe Abhängigkeit der Ergebnisse von der Gitterteilung besteht. Die oben gezeigten Bilder bestätigen dies. Die Heckwelle ist bei dem feinen Gitter zwar ein wenig höher, in der Druckverteilung ist jedoch kein nennenswerter Unterschied festzustellen. 15/28

16 A nderung des Hinterschiffes einer 50 kn RoPax Fa hre. 19. Juni 2003 Abbildung 20: Wellenbildung der Heckform mit kleinem Staukeil bei 26 kn. links: grobe Gitterteilung, rechts: feine Gitterteilung Abbildung 21: Druckverteilungen der Heckform mit kleinem Staukeil bei 26 kn. links: grobe Gitterteilung, rechts: feine Gitterteilung Auch bei dem kleinen Staukeil la uft die Heckwelle beim feinen Gitter ho her auf als bei dem groben Gitter. Das erkla rt den geringen Unterschied der berechneten Widerstandswerte bei den verschiedenen Gittern. In den Druckverteilungen fa llt ein ausgepra gtes U berdruckgebiet vor dem Staukeil auf. Dieses Gebiet sorgt fu r den vorlichen Trimm und ist hier vermutlich zu stark ausgebildet, so daß der Effekt der U berscha tzung der Keilwirkung erkla rt wa re. Abbildung 22: Wellenbildung der Heckform mit großem Staukeil bei 26 kn. links: grobe Gitterteilung, rechts: feine Gitterteilung Hendrik Gro ne (TUHH) 16/28

17 A nderung des Hinterschiffes einer 50 kn RoPax Fa hre. 19. Juni 2003 Abbildung 23: Druckverteilungen der Heckform mit großem Staukeil bei 26 kn. links: grobe Gitterteilung, rechts: feine Gitterteilung Der Effekt der erho hten Heckwelle bei feiner Gitterteilung versta rkt sich bei dem großen Staukeil. Das bereits beim kleinen Staukeil beobachtete U berdruckfeld vor dem Keil ist ebenfalls erwartungsgema ß versta rkt, wodurch der gro ßere vorliche Trimm zustande kommt. Bei den Druckverteilungen beider Staukeile fa llt auf, daß das U berdruckgebiet vor dem jeweiligen Keil beim groben Gitter gro ßer und sta rker ist als beim feinen Gitter. Deswegen wird die Wirkung der Keile mit grobem Gitter noch sta rker u berscha tzt als mit feinem Gitter. Alle bisher untersuchten Staukeile sind gerade Keile, die mit einem Knick im Tunneltop mit konstantem Winkel nach hinten laufen. Parallel dazu wurden CFD-Rechnungen durchgefu hrt mit einem in die Heckform eingestrakten Staukeil. Die Heckform mit diesem Keil hat die gleiche Spiegeltauchung wie die bisher untersuchte Variante mit großem Keil. Allerdings laufen die Schnitte am Spiegel sta rker nach unten. Bei dem geraden Keil haben die Schnitte eine Steigung am Spiegel von 15 Grad, bei dem eingestrakten Keil eine Steigung von 22 Grad. Nachfolgend sind Wellenbilder und Druckverteilungen der Heckvariante mit eingestraktem Keil aufgefu hrt. Die Gitterteilungen sind die Gleichen wie bei den bisher untersuchten Varianten. Abbildung 24: Wellenbildung der Heckform mit eingestraktem Staukeil bei 26 kn. links: grobe Gitterteilung, rechts: feine Gitterteilung Hendrik Gro ne (TUHH) 17/28

18 Abbildung 25: Druckverteilungen der Heckform mit eingestraktem Staukeil bei 26 kn. Gitterteilung, rechts: feine Gitterteilung links: grobe Alle bereits bei den geraden Keilen beobachteten Effekte sind bei eingestraktem Staukeil ebenfalls zu erkennen. Das Unterdruckgebiet vor dem Keil ist jedoch deutlich geringer ausgeprägt. Dieser Umstand führt zu der Annahme, daß der vorliche Trimm bei eingestraktem Keil nicht so stark auftreten wird wie bei nicht eingestraktem Keil. Die Werte für den dynamischen Trimm ergeben dagegen einen noch weiter verstärkten vorlichen Trimm. Dies läßt sich nur durch die geänderte Steigung der Schnitte erklären. Die Steigung der Schnitte am Spiegel hat für den dynamischen Trimm eine entscheidende Bedeutung. Weitere Rechnungen mit noch stärkeren Steigungen als den hier verwendeten führten zu numerischen Problemen. Die berechneten Widerstandswerte für den eingestrakten Staukeil liegen etwas unterhalb der Werte für den nicht eingestrakten Keil. Wird der Rechnung Glauben geschenkt, so bringt ein eingestrakter Staukeil eine Widerstandsverbesserung gegenüber einem nicht eingestrakten Keil bei gleichzeitig stärkerem vorlichem Trimm. Eine Überprüfung dieser Ergebnisse ist derzeit nicht möglich, da mit der Heckvariante des RoPax 2000 mit eingestraktem Staukeil keine Modellversuche durchgeführt wurden. Allerdings wurde die Wirksamkeit eingestrakter Staukeile bei anderen Schiffen bereits nachgewiesen. 2.6 Zusammenfassung Alle bisherigen Untersuchungen dienten dazu, herauszufinden, ob Potentialmethoden (speziell das Programm KELVIN) zur CFD-Berechnung auch bei hohen Geschwindigkeiten einsetzbar sind. Als zusammenfassendes Ergebnis kann festgestellt werden, daß die Ergebnisse ähnlich gut zu verwenden sind wie bei niedrigen Geschwindigkeiten. Qualitative Verläufe werden getroffen und die berechneten Werte weisen immer die gleiche Tendenz auf. Widerstandswerte sind rechnerisch durchweg zu klein und der dynamische Trimm wird bei den untersuchten Schiffen zu stark vorlich berechnet. Da die qualitativen Verläufe sich durch die Verwendung lokal verfeinerter Körpernetze nur wenig ändern, können zur Rechenzeitersparnis recht grobe Netze verwendet werden. Trotz allem sind die berechneten Werte nicht korrekt und können nur als grobe Orientierung gelten. Wichtiger in einem Entwurfsprozeß sind Wellenbildung und Druckverteilung auf dem Rumpf. Große Probleme treten bei sehr hohen Geschwindigkeiten auf. Abhängig von der Schiffsform bei Froudezahlen größer F n = 0, , 46 führt jede Rechnung mit dem Programm KELVIN zu einem singulären Gleichungssystem. Im Grenzbereich dieser Geschwindigkeiten zeigte sich ein grobes Körpernetz durchweg gutmütiger als ein feines Körpernetz. Die untersuchten Schiffstypen haben weiterhin gezeigt, daß eher konservative Schiffsformen (wie die D-Serie) in der Rechnung unproblematischer sind und auch genauere Ergebnisse liefern als moderne Schiffsformen mit breitem Spiegel und weit achtern liegendem Verdrängungsschwerpunkt. Besonders problematisch sind in diesem Zusammenhang Heckformen mit Staukeil. Daraus resultierend ist es sinnvoll, ein derartiges Schiff im Widerstand mit CFD zu optimieren und anschließend den dynamischen 18/28

19 Trimm im Schlepptank mit verschiedenen Staukeilen einzustellen. Da in dieser Arbeit nur zwei sehr unterschiedliche Schiffe untersucht wurden, erheben die Ergebnisse keinen Anspruch auf Allgemeingültigkeit. Streng genommen gilt alles, was bisher festgestellt wurde nur für diese zwei speziellen Schiffe. Um allgemeinere Ergebnisse zu bekommen, müßte eine sehr viel größere Anzahl von Schiffen untersucht werden. 19/28

20 3 Modifikation des Ausgangsschiffes 3.1 Allgemeines Die Linienoptimierung des FasdHTS geschieht auf der Grundlage von CFD-Ergebnissen, die mit dem Programm KELVIN erzeugt werden. Wegen der in Kapitel (2) beschriebenen numerischen Probleme ist es allerdings nicht möglich, die Optimierung für die Dienstgeschwindigkeit von 50 kn (F n = 0, 575) durchzuführen. Die höchsten mit Kelvin berechenbaren Geschwindigkeiten hängen sehr stark von der zu berechnenden Form ab. Aus diesem Grund werden Widerstands- und Trimmkurven erzeugt ab 30 kn (F n = 0, 344) bis zu der höchsten Geschwindigkeit, die sich für die jeweilige Form noch rechnen läßt. Für eine Abschätzung der Verhältnisse bei 50 kn können dann diese Kurven extrapoliert werden. Da der FasdHTS in der Ursprungsform bereits mit CFD optimiert wurde, beschränken sich die Änderungen an der Schiffsform auf das Hinterschiff. Wegen der vorgesehenen Jetantriebe ist der Spiegel sehr stark getaucht, was sich auf den Widerstand negativ auswirkt. Ansonsten ist die Druckverteilung am Rumpf ausgeglichen. Da die Änderungen am Hinterschiff nicht als klein angenommen werden können, muß eine charakteristische Größe konstant gehalten werden, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen. Hier wird das Deplacement als konstant gesetzt, so daß sich bei jeder größeren Änderung der Rumpfform auch eine Änderung des Tiefgangs ergibt. Die Verlagerung des Auftriebsschwerpunktes der Länge nach (xc B ) wird nicht weiter beachtet. Ebenfalls wegen der Vergleichbarkeit der Rechenergebnisse wird für alle erzeugten Heckvarianten das gleiche Körpernetz für die Rechnungen verwendet. Es handelt sich dabei um ein recht grobes Netz. Das Körpernetz ist in keinem Bereich lokal verfeinert. Abbildung 26: Körpernetz des FasdHTS für die CFD-Rechnungen 3.2 Änderungen am Achterschiff Um zu sehen, an welchen Stellen die Linien geändert werden sollten, sind nachfolgend Wellenbildung und Druckverteilung der Ausgangsform des FasdHTS bei 40 kn (F n = 0, 459) abgebildet. Abbildung 27: Wellenbildung und Druckverteilung des FasdHTS bei 40 kn 20/28

21 An der Wellenbildung fällt die extrem ausgeprägte Heckwelle auf, die offensichtlich durch die Spiegeltauchung zustande kommt. Auf Grund des sehr starken Wellentales am Spiegel stellt sich die Frage nach der Glaubwürdigkeit dieses Wellenbildes. Ob die Strömumg in der Realität bei einem so stark getauchten Spiegel wie hier sauber abreißt, kann bezweifelt werden. Bei der Druckverteilung sind zwei auffällige Bereiche zu erkennen. Zum einen ist an der Spiegelkante ein Unterdruckstreifen, der dadurch zustande kommt, daß die Strömung von der Heckform nach schräg unten beschleunigt wird. Zum anderen ist an Spant 4 im Bereich der Wasserlinie an jeder Seite ein Unterdruckfeld zu erkennen, das für ein Wellental an dieser Stelle sorgt. Zur Widerstandsoptimierung wird zunächst die extreme Spiegeltauchung zurückgenommen. Wird der Spiegel ganz ausgetaucht, ergeben sich die folgenden Bilder. Wegen bereits in Kapitel (2) beschriebener numerischer Probleme können von dieser Variante nur Bilder bei einer Geschwindigkeit von 39 kn (F n = 0, 447) erzeugt werden. Abbildung 28: Wellenbildung und Druckverteilung des FasdHTS mit angehobenem Spiegel bei 39 kn Bei dieser Variante liegt der Spiegel an der tiefsten Stelle statisch etwa 30 cm oberhalb der Wasserlinie. Die Tunnelung des Hecks ist ganz weggenommen und die Schnitte laufen am Spiegel waagerecht aus. Der Widerstand hat sich gegenüber der Ausgangsvariante deutlich verbessert. Negativ fällt der dynamische Trimm auf. Mit dem ausgetauchten Spiegel trimmt das Schiff rechnerisch stark nach achtern. Da der Trimm vom Programm KELVIN wie in Kapitel (2) festgestellt immer zu vorlich eingeschätzt wird, muß dem achterlichen Trimm entgegengewirkt werden. Dies könnte durch einen einfachen Staukeil geschehen. Weiterhin ist an der Wellenbildung zu sehen, daß eine zwar flache aber sehr breite Heckwelle entsteht. Um sowohl den Trimm als auch die Heckwelle zu verbessern, wird kein einfacher Keil angesetzt, sondern die Heckform wird weiter optimiert. Die Druckverteilung auf dem Rumpf ist insgesamt gleichmäßiger als in der Ausgangsvariante. Das große Überdruckfeld vor dem Spiegel ist sehr viel kleiner geworden, woraus vermutlich der achterliche Trimm resultiert. Als Konsequenz aus den oben getroffenen Beobachtungen wird der Spiegel wieder etwas abgesenkt, um eine Tunnelung des Hecks zu erreichen und die Strömung am Spiegel etwas nach unten zu beschleunigen. Daraus entsteht eine Form, die folgende Wellenbildung und Druckverteilung zeigt. 21/28

22 A nderung des Hinterschiffes einer 50 kn RoPax Fa hre. 19. Juni 2003 Abbildung 29: Wellenbildung und Druckverteilung des FasdHTS mit getunneltem Heck bei 36 kn Diese Form wird nachfolgend als Variante A bezeichnet. Sie la ßt sich bis zu einer Geschwindigkeit von 36 kn rechnen. Die Schnitte laufen am Spiegel in einem Winkel von circa 10 Grad nach unten, wodurch der vorher beobachtete achterliche Trimm verhindert wird. Der dynamische Trimm entspricht jetzt in etwa dem der Ausgangsvariante. Die Heckwelle ist deutlich schmaler und etwas ho her geworden. Der Widerstand hat sich rechnerisch weiter verbessert. Auffallend ist ein kleines aber tiefes Wellental in der Mitte des Spiegels, das vermutlich der Grund fu r die erho hte Heckwelle ist. Um dieses Tal zu reduzieren, wird die Form des Spiegels anders gestaltet. An den Seiten wird der Spiegel heruntergezogen, um die seitliche Umstro mung der Ecken zu reduzieren. Die daraus entstehende Version des Hinterschiffes wird Variante B genannt. Abbildung 30: Wellenbildung und Druckverteilung der Variante B bei 36 kn Der berechnete Gesamtwiderstand ist bei dieser Variante B etwa gleich dem Widerstand der Variante A. Der Trimm ist ein wenig vorlicher. Das Tal am Spiegel ist - wie beabsichtigt - kleiner geworden. Die Heckwelle ist zwar nicht in der Ho he, jedoch in der Breite ein wenig reduziert. Negativ sind ein ausgepra gteres Wellental bei Spant 4 und ein sta rkeres Wellensystem, das vor dem Spiegel seitlich abgeht. Die Druckverteilung am Rumpf ist nicht so gleichma ßig wie bei Variante A Auf Grund sehr a hnlicher Widerstands- und Trimmwerte werden die Varianten A und B genauer untersucht. 3.3 Vergleich der erzeugten Varianten Die zwei Heckvarianten A und B stellten sich bei der Optimierung nach Widerstandsgesichtspunkten als anna hernd optimal heraus. Im folgenden sind die Heckformen dargestellt. Der Vergleichbarkeit halber Hendrik Gro ne (TUHH) 22/28