CFD Optimierung einer Strahlumlenkung hinter einem Binnen-Eisbrecher. BAWKolloquium 15. September 2016

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1 CFD Optimierung einer Strahlumlenkung hinter einem Binnen-Eisbrecher BAWKolloquium 15. September 2016

2 Inhalt Aufgabenstellung, Randbedingungen Vorstudie Optimierung einer ausgewählten Variante Einfluss der Wassertiefe Einfluss von Steuerorganen BAWKolloquium, 15. September

3 Aufgabenstellung Der Binnen-Eisbrecher Turmfalke soll während der eisfreien Zeit unter anderem zum Aufwirbeln und Wegspülen von am Gewässerboden abgelagertem Schlick genutzt werden. Hierzu soll der Propellerstrahl des Schiffs mit einer Vorrichtung umgelenkt werden. Vorstudie, grundlegender Vergleich verschiedener Umlenkvorrichtungen Optimierung einer Variante hinsichtlich ihrer Wirkung am Gewässerboden Untersuchung der Wirksamkeit bei verschiedenen Wassertiefen Untersuchung der Wirksamkeit verschiedener Steuerklappen zur Unterstützung der Manövrierbarkeit. BAWKolloquium, 15. September

4 Randbedingungen Wassertiefe: 2.5m Tiefgang Schiff: 1.4 m Wasser unter Kiel 1.1 m Sandrauhigkeit des Gewässerbodens: 0.06 mm wichtig für eine realistische Wandschubspannung Schiffsgeschwindigkeit soll ca. 1 m/s betragen Propellerschub im Stand 45 kn (n /min) nicht der Vollastfall! (ca. 2 / 3 von P max ) es ergibt sich durch die Fahrt ein leichter Schubabfall die Umlenkvorrichtung beginnt 0.40 m hinter dem Schiff (Position frei gewählt) BAWKolloquium, 15. September

5 Geometrie Eisbrecher BAWKolloquium, 15. September

6 Vorstudie Berechnungen unterschiedlicher Umlenkvorrichtungen Gütekriterium: Schubspannung am Gewässerboden Schlick ist eine Binghamsche Flüssigkeit die ab einer Scherspannung von ca. 120 N/m 2 (Literaturangabe) zu fließen beginnt Gütekriterium für Vorstudie: Größe der Fläche auf der eine Wandschubspannung von 120 Pa überschritten wird weitere Kriterien: Fläche der Wandschubspannung > 80 Pa (frei gewählt) Fläche mit Druck >7000Pa und >10000 Pa (frei gewählt) BAWKolloquium, 15. September

7 Unsicherheiten der Berechnung die Ermittlung absoluter Werte ist aufgrund von Vereinfachungen nicht möglich Berechnung nur mit Wasser, kein Einfluss des Schlicks auf die Strömung Berechnung mit glatter, fester Wasseroberfläche ohne Trimm, Tauchung und Wellenbild wegspülen des Schlicks durch den Propellerstrahl (Änderung der Bodentopologie) wird nicht berücksichtigt bei der Vorstudie wird der Drall des Propellerstrahls vernachlässigt (nur axiale Beschleunigung der Strömung reduziert die Rechenzeit durch Symmetrie) guter qualitativer Vergleich ist jedoch möglich BAWKolloquium, 15. September

8 Varianten Umlenkvorrichtungen gewölbte Platte gewölbte Platte mit Seitenplatte 3 Segmente ohne Spalt 3 Segmente mit 2 cm Spalt 3 Segmente mit 5 cm Spalt 9 Segmente ohne Spalt, Seitenplatten seitlich klappbar 9 Segmente ohne Spalt, Seitenplatten nicht seitlich klappbar (laufen ineinander) geschlossene Umlenkung (Tunnel) BAWKolloquium, 15. September

9 gewölbte Platte Wandschubspannung am Gewässerboden Druck am Gewässerboden BAWKolloquium, 15. September

10 3 Segmente ohne Spalt Wandschubspannung am Gewässerboden Druck am Gewässerboden BAWKolloquium, 15. September

11 3 Segmente mit 2 cm Spalt Wandschubspannung am Gewässerboden Druck am Gewässerboden BAWKolloquium, 15. September

12 3 Segmente mit 5 cm Spalt Wandschubspannung am Gewässerboden Druck am Gewässerboden BAWKolloquium, 15. September

13 gewölbte Platte mit Seitenplatte Wandschubspannung am Gewässerboden Druck am Gewässerboden BAWKolloquium, 15. September

14 9 Segmente, Seitenplatten fest Wandschubspannung am Gewässerboden Druck am Gewässerboden BAWKolloquium, 15. September

15 9 Segmente, Seitenplatten klappbar Wandschubspannung am Gewässerboden Druck am Gewässerboden BAWKolloquium, 15. September

16 Tunnel Wandschubspannung am Gewässerboden Druck am Gewässerboden BAWKolloquium, 15. September

17 Ergebnisse alle Werte für das halbe Schiff BAWKolloquium, 15. September

18 Optimierung der Tunnelgeometrie Optimierung einer Tunnelgeometrie zur Stahlumlenkung Anhand der Vorstudie als die wirksamste Geometrie zur Strahlumlenkung ermittelt effektiv, mechanisch stabil Propellerrotation erzeugt durch inhomogene Anströmung der Tunnelgeometrie eine Seitenkraft auf die Tunnelgeometrie Rechnungen bei einem Ruderwinkel von 6 durchgeführt, Moment um Schiffschwerpunkt 0 Nm BAWKolloquium, 15. September

19 Optimierung Tunnelgeometrie die Dicke/Stärke der Wände der Umlenkvorrichtungen wurde mit 10 cm angenommen Breite der Eingangsfläche wurde auf 1.30 m festgelegt Propellerdurchmesser 1.15 m Geometrie durch ein Parametermodell im Programm CAESES (ehem. FRIENDSHIP Framework ) beschrieben wichtigste Parameter für Optimierung: z-position der Oberkante des Tunneleingangs Höhe der Eintrittsfläche Länge der Umlenkvorrichtung Flächenverhältnis von Eintrittsfläche/Ausgangsfläche Verhältnis von Länge/Breite der Ausgangsfläche Optimierung der Geometrie mittels Parametervariation BAWKolloquium, 15. September

20 Beispiele Varianten Animation verschiedener Geometrien BAWKolloquium, 15. September

21 Einflüsse Strahlumlenkung (Bsp.) Einfluss Breite / Länge Fläche Tunnelausgang vs. Düsenlänge Einfluss Flächenverhältnis vs. Düsenlange Fläche Wandschubspannung > 120 Pa 3,30 3,20 3,10 3,00 2,90 2,80 2,70 2,60 2,50 1 1,5 Breite/Länge Fläche Tunnelausgang Düsenlänge Fläche Wandschubspannung > 120 Pa 3,30 3,20 3,10 3,00 2,90 2,80 2,70 2,60 2, , ,8 1,9 2,0 2,1 1.2 Düsenlänge 2,2 2,3 Flächenverhältnis Eintrittsfläche / Ausgangsfläche 2,50-2,60 2,60-2,70 2,70-2,80 2,80-2,90 2,90-3,00 3,00-3,10 3,10-3,20 3,20-3,30 2,50-2,60 2,60-2,70 2,70-2,80 2,80-2,90 2,90-3,00 3,00-3,10 3,10-3,20 3,20-3,30 BAWKolloquium, 15. September

22 Seitenansicht Bereich zwischen Schiff und Tunnelgeometrie sollte an der Wasseroberfläche möglichst abgedeckt sein Verhindern des Überströmens der Umlenkvorrichtung BAWKolloquium, 15. September

23 Wandschubspannung, optimiert BAWKolloquium, 15. September

24 Wandschubspannung Draufsicht Breite Wandschubspannung > 120 Pa 2,5 m BAWKolloquium, 15. September

25 Strahldruck am Gewässerboden, optimiert BAWKolloquium, 15. September

26 Wassertiefe und Steuerklappen Variation der Wassertiefe Ermitteln der Wirksamkeit der Strahlumlenkung bei verschiedenen Wassertiefen Gütekriterium: Größe der Fläche auf der eine Wandschubspannung von 120 Pa überschritten wird Steuermöglichkeiten (akademische Fälle) Ermitteln der Wirksamkeit von Steuerklappen Erzeugung von Vortrieb (schnellere Vorwärtsfahrt) Erzeugung von Seitenkräften (Manövrierfähigkeit) Gütekriterium Kraft auf das Gesamtsystem in x-richtung bzw. Drehmoment um z-achse durch Schiffsschwerpunkt BAWKolloquium, 15. September

27 Variation der Wassertiefe Fläche Wandschubspannung > 120 Pa [m 2 ] 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Wirksamkeit vs. Wassertiefe 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Wassertiefe [m] BAWKolloquium, 15. September

28 Klappen für schnellere Vorwärtsfahrt Klappe nach unten deutlich besser Abschätzung ohne Berücksichtigung von Wellen schwierig BAWKolloquium, 15. September

29 Klappen für Seitenkraft Klappe wird am unteren Ende in den Tunnel geklappt Klappe neben dem Tunnel BAWKolloquium, 15. September

30 Vergleich mit Ruderwirkung ohne Strahlumlenkung Wirkung der Seitenklappen im Vergleich zur Ruderwirkung Ruderwirkung ohne Tunnelgeometrie ermittelt Seitenklappen wirken (für Rechenfälle) wie ca. 11 Ruderstellung nur für kleine Kursänderungen nützlich BAWKolloquium, 15. September

31 der folgende Vortrag zeigt die Umsetzung des Systems an der Großausführung Vielen Dank BAWKolloquium, 15. September

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