Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff Wasserstraße (genauer: Seeschiff Seeschifffahrtsstraße) www.baw.de Es gilt das gesprochene Wort.
Übersicht: Methoden der Fachaufgabe WSS (Wechselwirkung Seeschiff Seeschifffahrtsstraße) Naturmessungen : Schiffsdynamik, Belastung Hydraulische Modelle: Kräfte, Dynamik UnTrim: Tide- & Stoffdynamik WSS UnTrim: Wellenausbreitung Schiffsführungssimulation: Fachaufgabe WSS Schwerpunkte und Seite Methoden 2 Sicherheit und Leichtigkeit Wasserbau Referat K2 Dr.-Ing. K. Uliczka September 2011 Seite 2
Übersicht: Methoden der Fachaufgabe WSS (Wechselwirkung Seeschiff Seeschifffahrtsstraße) Naturmessungen : Schiffsdynamik, Belastung Hydraulische Modelle: Kräfte, Dynamik UnTrim: Tide- & Stoffdynamik WSS UnTrim: Wellenausbreitung UnTrim 2 -Ship (USS): Wasserstand & Strömung Schiffsführungssimulation: CFD: Schiffshydrodynamik Fachaufgabe WSS Schwerpunkte und Seite Methoden 3 Sicherheit und Leichtigkeit Wasserbau Referat K2 Dr.-Ing. K. Uliczka September 2011 Seite 3
Sichtweise: Sichtweise: Schiffshydrodynamik Schiff Ästuardynamik Wasserstraße Squat Trimm β Schiffshydrodynamik Ziel: Berechnung von Squat und Trimm Ästuardynamik Ziel: Wirkung des Schiffsverkehrs auf Wasserstand und Strömung Seite 4
Schiffshydrodynamik Motivation: Soft- und Hardware sind heute auf einem technischen Stand, so dass die BAW-typische Schiffshydrodynamik am Computer in erträglichen Zeiten (Tage) simuliert werden kann. Vision: Anfragen zur Schiffsdynamik werden zukünftig zweigleisig bearbeitet: zum einen der Modellversuch (klassisch) und zusätzlich Simulationen im Computer zur Unterstützung und Lückenfüllung einer Versuchsmatrix. Messungen bilden nach wie vor das Rückgrat zu den Aussagen!!! Meilensteine des F&E Projektes: Start vor ca. 3 Jahren Zäsur vor einem Jahr Optimierung der Parallelisierung jetzt arbeitsfähig Seite 5
Schiffshydrodynamik Beschreibung des mathematischen Modells Kommerzielles Softwareprodukt (mit Support) Grundlage: RANSE (mit SIMPLE) 3 dimensional Mehrphasenmodell (Luft + Wasser) VOF (Wellen) Instationär, implizit K-Epsilon Turbulenzmodell-Familie (Realizable K-e-Modell mit 2 Layer Ansatz nach Wolfstein) Kräfte auf das Schiff (DFBI): Gravitation Druck- und Scherkräfte Bewegung des Netzes (Morphing) Seite 6
Schiffshydrodynamik Besonderheiten (Versuchsaufbau/Modell) Querschnitt (orientiert an Messungen): Besonderheiten des Versuchsaufbaus/Modells: sehr geringe Kielfreiheit (h/t=18m/16m=1.125) enge Querschnitte n = 10 (n=a/as) Bewegung des Schiffes Bewegung des Schiffes bis zum Aufsetzen Volumen werden fast Null Anströmung (Bewegung des Wassers, nicht des Schiffs) reale Maße: schwarz Maßstab 1:40: rot Seite 7
Schiffshydrodynamik - Modellaufbau Schiffshülle fehlerfrei und dicht eindeutige Orientierung keine Einstülpungen (richtige Mannigfaltigkeit) keine Löcher Reparatur der Hülle (sehr zeitaufwendig; 3D-CAD Verfahren) Simulationsgebiet festlegen physikalische Rahmenbedingungen numerische Rahmenbedingungen Erfahrungswissen Modellphysik mit Randwerten Modelldiskretisierung Volumennetz besteht aus prismatischen Schichten und Tetra-, Hexa- oder Polyeder Zellen: 1.5 12 Mio. Ressourcen Simulationsdauer: 700s 20 100h Computerressourcen: 32/64 CPUs Seite 8
Schiffshydrodynamik - Versuchsablauf Verformung des Netzes Seite 9
Schiffshydrodynamik - Versuchsablauf Wasserspiegelauslenkung (40 fach überhöht) Seite 10
Schiffshydrodynamik - Ergebnisse Squat v = 0.6 0.8 1.0 1.1 1.15 1.175 1.2 m/s Seite 11
Schiffshydrodynamik - Ergebnisse Trimm v = 0.6 0.8 1.0 1.1 1.15 1.175 1.2 m/s Hinweis: 0.13 Grad ~ 1cm Squat (9m Schiff im Modell 1:40) Seite 12
Schiffshydrodynamik Einschätzung des Verfahrens Stabilität? gegeben, wenn der Kiel nicht zu nah am Boden ist Konvergenz? das Modell konvergiert zu einer Lösung (geringe Oszillationen) Reproduzierbarkeit? die Modellergebnisse sind reproduzierbar [Maschine, 32/64 Bit ] Sensitivitäten (zu diesem Modell, nicht allgemein): Anströmgeschwindigkeit (++) Art der Randbedingung (++) [SLIP oder NoSLIP] Anfangsbedingung (++/o) [Lage des Schiffs; evtl. bereits Ausgangslage] Modellgebiet (o) [jetzige Dimensionen mit Bank sonst Windeinfluss] Diskretisierung (o) [bei Bug/Heck/Kiel 2.5cm / Wasseroberfläche(Z) 2.5cm / Wasser 20cm] Zeitliche Auflösung (o) [bei Zeitschrittweite < 0.2 s] Wind (o) [Windgeschwindigkeit = Wassergeschwindigkeit oder 0 m/s] Turbulenzmodell (?) Seite 13
Schiffshydrodynamik Validität Vergleich mit Messungen aus dem hydraulischen Modell Squat (Modell) [mm] Geschwindigkeit (real) [kn] 7.4 8.6 9.8 11.1 12.3 13.5 14.8 16.0 60 2.4 50 40 30 20 10 Messung Bug Modell [mm] Messung Heck Modell[mm] Generation13 [mm] G13 Bug [mm] G13 Heck [mm] Querschnittsverhältnis 1:10 0 0 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 Geschwindigkeit (Modell) [m/s] 2 1.6 1.2 0.8 0.4 Squat (real) [m] Seite 14
Schiffshydrodynamik Ausblick Problem: das Anströmen des Schiffs neue Technologie: Overset (Bewegung eines Netzes in einem anderen Netz) wird mit jeder neuen Version stabiler (Anfangs viele Kinderkrankheiten) Wird genutzt in den WSV-Projekten: Begegnung und Trossenkräfte ca. 11 Tage Seite 15
Übersicht: Methoden der Fachaufgabe WSS (Wechselwirkung Seeschiff Seeschifffahrtsstraße) Naturmessungen : Schiffsdynamik, Belastung Hydraulische Modelle: Kräfte, Dynamik UnTrim: Tide- & Stoffdynamik WSS UnTrim: Wellenausbreitung UnTrim 2 -Ship (USS): Wasserstand & Strömung Schiffsführungssimulation: CFD: Schiffshydrodynamik Fachaufgabe WSS Schwerpunkte und Seite Methoden 16 Sicherheit und Leichtigkeit Wasserbau Referat K2 Dr.-Ing. K. Uliczka September 2011 Seite 16
Ästuardynamik - Kernfragen Hat ein Schiff Einfluss auf die Ästuardynamik? In 2012 haben 2859 PPM-Schiffe (Breite > 32m) Wedel nach/von Hamburg passiert. Hat die Strömungsänderung durch Schiffe einen nachhaltigen Einfluss? Meilensteine des FuE-Projektes: Erweiterung von UnTRIM² neue Randbedingung (Decke) [Prof. Casulli*, Uni. Trient] Implementierung der neuen Version in das BAW-Framework (April 2013) Aufbau eines neuen Interfaces IO_Ship Erste Tests ab April/Mai 2013 * Casulli,V. & Zanolli,P. (2012): Iterative solutions of mildly nonlinear systems, Journal of Computational and Applied Mathematics, Volume 236, Issue 16, Pages 3937-3947, 10.1016/j.cam.2012.02.042. Seite 17
Ästuardynamik - Modellaufbau Berechnungsnetz: dx = dy = 0.5 m 3509 Elemente Zufluß: 2.856 m³/s 0.6 m/s 14.5 m Randbedingung: konstanter Wasserstand mit 0 m Subgrid: dxsg = dysg = 0.1 m 87725 Elemente Schiff bei 30 m: Breite: 1.375 m Länge: 9.39 m Tiefgang: 0.2 m 60.5 m Seite 18
Ästuardynamik Bernoulli-Prinzip - Wasserstand Unter dem Schiff entspricht der Wasserstand einem Druck ohne Schiff/Hindernis mit Schiff/Hindernis Seite 19
Ästuardynamik Bernoulli-Prinzip Strömungsgeschwindigkeit ohne Schiff/Hindernis mit Schiff/Hindernis Energieerhaltung ok Seite 20
Ästuardynamik Ausblick weitere Tests: Wellenmuster, 3D, nicht-hydrostatisch, Validierung Implementierung von komplexen Geometrien Bewegung Seite 21
Fragen? Seite 22