Anwendung von CFD-Verfahren zur Analyse von Propellerentwürfen im Hinblick auf verkehrswasserbauliche Fragestellungen

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1 zurück zum Inhaltsverzeichnis zur Kurzfassung Anwendung von CFD-Verfahren zur Analyse von Propellerentwürfen im Hinblick auf verkehrswasserbauliche Fragestellungen M. Abdel-Maksoud, S.-B. Müller, M. Gutsch BAW- Kolloquium: Mehrdimensionale hydronumerische Modellierung von Wasserbauwerken Karlsruhe April

2 Übersicht Problemstellung Propellerentwurf Geometriebeschreibung Entwurfablauf Numerische Verfahren (Potentialtheorie / viskose Berechnung ) Optimierungstechnik Untersuchungen Einfluss der Propellergeometrie (Propeller / Düsenpropeller) auf die Strömungsverhältnisse Untersuchungen Laufende Arbeiten Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse Potentialtheoretische Untersuchung von Propulsionsorganen 2

3 Problemstellung Zunahme des Warentransports - Wirtschaftlichkeit von Schiffen wächst mit Zunahme der Größe und Geschwindigkeit Erhöhung des Schubbedarfs -> Zunahme der Strömungsgeschwindigkeiten im Propellerstrahl hinter dem Schiff Resultierende verkehrswasserbauliche Fragestellungen - Einwirkungen auf die Wasserstraße Erosion an der Gewässersohle und Böschung - Belastung der Flora und Fauna Einfluss auf die Fischbestände insbesondere Jungfische Beeinträchtigung der Pflanzenwelt bzw. vielfalt Analyse der Propulsionsorgane zur Minimierung des Einflusses auf die Wasserstraße sowie der Aufrechterhaltung des biologischen Gleichgewichts 3

4 Geometriebeschreibung Propellerentwurf Variationsparameter: Steigung Rücklage - Hang Sehnenlänge - Dickenverteilung - Wölbung Durchmesser 4

5 Propellerentwurf Entwurfablauf 5

6 Propellerentwurf Numerische Verfahren Potentialtheorie - Annahmen in der Potentialtheorie: reibungsfrei inkompressibel Rotationsfrei - Massenerhaltung: r 2 r 2 r 2 r ( r 2 r Φ( p) Φ( p) Φ( p) V p) = Φ( p) = x y z 2 = 0 - Umsetzung in der Praxis: Quellen Dipole σ 1 r r Φ = V da, σ = n Φ = 4π r A A μ 4π z 3 r da 6

7 Propellerentwurf Numerische Verfahren Potentialtheorie - Randbedingung auf der Körperoberfläche: r r r V ( p) n = 0 Bestimmung der Quellstärken, so dass die Randbedingung auf allen Paneelen der Körperoberfläche eingehalten wird r r r r ( σ V1 + σ 2V2 + σ 3V3 ) n1 1 = 0 Lineares Gleichungssystem zur Bestimmung der Quellstärken - Bestimmung der Geschwindigkeiten im Strömungsfeld: r r r r r r r r V ( x) = σ 1V 1( x) + σ 2V2 ( x) + σ 3V3 ( x) - Ermittlung der Drücke mittels Bernoulli-Gleichung: - Berücksichtigung der Reibung: Reibungsansatz nach Prandtl und von Kármán p ρ 2 = 2 2 ( v v ) 7

8 Propellerentwurf Numerische Verfahren Viskose Berechnung - Lösung der Impuls- und Massenerhaltungsgleichung - Turbulenzmodell (k-ε, k-ω, SST) - Volumennetz mit Hexaedern - zeitintensive Berechnung - detaillierte Auswertung der Berechnung 8

9 Propellerentwurf Mögliche Evolutionsstrategie 1. Zunächst XX stochastisch erzeugte Propellergeometrien 2. Auswahl der YY besten Propeller 3. Rekombination / Mutation der YY besten Propeller zu ZZ neuen Nachkommen Mögliche Zielfunktionskriterien - Erhöhung des Wirkungsgrades - Erreichen des Sollschubes mit max. zulässiger Schubdifferenz: 4% - Max. zulässige Kavitation: an 1,5% der Propelleroberfläche darf der Dampfdruck unterschritten werden - Max. auftretende Geschwindigkeitsschwankungen Begrenzungsflächen Strafterme zur Einhaltung der Randbedingungen f = η + a max(1 T T soll 0.04, 0) 2 A + b max( A 0.015, 0) kav ges 2 9

10 Optimierungsspirale Propellerentwurf 10

11 - Geometrieauswahl Standart Propeller und Düsenpropeller (Wageninger B- und Ka-Serie) Propeller Düsepropeller Flügelanzahl z 4 4 Durchmesser Propeller D 1,60 1,60 m Durchmesser Düse (innen) D Düse,innen 1,63 m Durchmesser Düse (außen) D Düse,außen 1,98 m Steigungsverhältnis P/D 0,80 1,24 Flächenverhältnis EAR 0,56 0,56 - Untersuchungsbedingungen Freifahrtuntersuchung (parallele Anströmung) Zwei Schubbelastungsgrade Untersuchungsgebiet: Kontrollvolumen: Düsenpropeller 6,3 Mio. Hexaeder; Propeller 4,7 Mio. Hexaeder 11

12 - Geometrische Propellereigenschaften und hydrodynamische Kennwerte Propeller Düsepropeller Zustand 1 Anströmgeschwindigkeit V A 2,344 2,344 m/s c TH =10,23 Drehzahl n 363,25 283,88 1/min Schub T ges 71968, ,2 N Drehmoment Q 13424, ,64 Nm Schubbeiwert Propller K t,prop 0,275 0,313 Schubbeiwert Düse K t,düse --- 0,182 Schubbeiwert Gesamt K t 0,275 0,495 Drehmomentenbeiwert 10 K q 0,321 0,629 Wirkungsgrad Eta_0 0,316 0,544 Fortschrittsgrad J 0,232 0,434 12

13 - Auswertungsebenen und Stromlinien 13

14 - Druckverteilung auf der Propelleroberfläche (Zustand 1 - c TH =10,23) Druckseite Saugseite 14

15 - Druckverhältnisse im Propellernachlauf (Zustand 1 - c TH =10,23) 15

16 - Gemittelte Druckverhältnisse im Propellernachlauf (Zustand 1 - c TH =10,23) 16

17 - Druckverlauf entlang der Stromlinien bei r/r=0,8 (Zustand 1 - c TH =10,23) Propeller Düsenpropeller 1

18 - Druckverlauf entlang der Stromlinien bei r/r=0,8 (Zustand 1 - c TH =10,23) Propeller Düsenpropeller 2

19 - Druckgradienten entlang der Stromlinien bei r/r=0,8 (Zustand 1 - c TH =10,23) Propeller Düsenpropeller 3

20 - Druckgradienten entlang der Stromlinien bei r/r=0,8 (Zustand 1 - c TH =10,23) Propeller Düsenpropeller 4

21 - Strömungsgeschwindigkeit im Propellernachlauf (Zustand 1 - c TH =10,23) 21

22 - Gemittelte Strömungsgeschwindigkeit im Propellernachlauf (Zustand 1 - c TH =10,23) - Normiert Geschwindigkeit - Normierter X-Anteil der Geschwindigkeit 22

23 - Geschwindigkeiten entlang der Stromlinien bei r/r=0,8 (Zustand 1 - c TH =10,23) Propeller Düsenpropeller 5

24 - Geschwindigkeiten entlang der Stromlinien bei r/r=0,8 (Zustand 1 - c TH =10,23) Propeller Düsenpropeller 6

25 - Wirbelstärke im Propellernachlauf (Zustand 1 - c TH =10,23) 25

26 - Gemittelte Wirbelstärke im Propellernachlauf (Zustand 1 - c TH =10,23) 26

27 - Turbulenzgrad im Propellernachlauf (Zustand 1 - c TH =10,23) 27

28 - Belastung der Fischbestände entlang der Stromlinien (Zustand 1 - c TH =10,23) R176 R175 R170 R160 R130 R100 R080 R060 R040 R020 R176 R175 R170 R160 R130 R100 R080 R060 R040 R Propeller Düsenpropeller 43 Stromlinien, die Flügel treffen < ΔP Norm 6 2 7,5 < ΔP Norm <

29 - Belastung der Fischbestände entlang der Stromlinien (Zustand 2 - c TH =12,87) R176 R175 R170 R160 R130 R100 R080 R060 R040 R020 R176 R175 R170 R160 R130 R100 R080 R060 R040 R Propeller Düsenpropeller 45 Stromlinien, die Flügel treffen < ΔP Norm ,5 < ΔP Norm <

30 Laufende Arbeiten Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse - Stromlinienverlauf - Druckverteilung auf der Geometrieoberfläche 30

31 Laufende Arbeiten Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse - Tunnellänge 2,6m - Tunnellänge 4,2m - Tunnellänge 5,8m 31

32 Laufende Arbeiten Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse - Tunnellänge 2,6m - Tunnellänge 4,2m - Tunnellänge 5,8m 32

33 Laufende Arbeiten Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse - Gemittelte Strömungsgeschwindigkeit im Propellernachlauf 33

34 Laufende Arbeiten Potentialtheoretische Untersuchung von Propulsionsorganen - Propeller Wageninger B-Serie KT, 10KQ, eta 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 KT Wag. 10KQ J Wag. eta Wag. KT poti 10KQ poti eta poti KT viskos 10KQ viskos 34

35 Laufende Arbeiten Potentialtheoretische Untersuchung von Propulsionsorganen - Düsenpropeller und Querstrahler 35

36 zurück zum Inhaltsverzeichnis zur Kurzfassung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 36