Forschung im HLRN-Verbund 2011

128RollexBestimmung der Rolldämpfung moderner Schiffsformen mit Hilfe vonexperimentellen und numerischen Untersuchungen komplexer StrömungsvorgängeM. Abdel-Maksoud, S. Handschel, J.P. Soproni,Institut für Fluiddynamik und Schiffstheorie,Technische Universität Hamburg-HarburgKurzgefasst• Moderne Schiffsformen neigen im Seegang zustarken Rollbewegungen bei denen Ladung überBord geht, das Schiff beschädigt wird oder Menschenzu schaden kommen.• Die existierenden und in der Praxis meist verwendetenempirische Verfahren zur Bestimmungder zähigkeitsbedingten Rolldämpfung bei potenzialtheoretischenBerechnungsverfahren versagenbei modernen Schiffsformen.• Die Entwicklung von neuen Verfahren zurBerücksichtigung des zähigkeits- und wirbelbedingtenAnteils der Rolldämpfung für moderneRumpfformen ist notwendig.• Aufwendige Rechenverfahren für viskoseStrömungen ermöglichen die Berechnung derzähigkeitsbedingten Rolldämpfungsanteile undderen Wechselwirkungen.Aufgrund steigender Anforderungen an die Transportkapazitätin Verbindung mit minimalem Leistungsbedarfweisen moderne Schiffsrumpfformenveränderte geometrische Eigenschaften auf.Hauptmerkmal ist der starke Spantausfall im VorundHinterschiff, welcher vor allem bei ContainerundPassagier- bzw. Kreuzfahrtschiffen zu sehenist. Diese Spantformen haben jedoch einen großenund oft unterschätzten Einfluss auf das Seegangsverhalteneines Schiffes. Große Rollbewegungen(Drehung um die Längsachse), bei denen Ladungüber Bord geht, Schiffe beschädigt werden oderMenschen zu schaden kommen, können auftreten.Für die Berechnung und Prognose der Seegangseigenschafteneines neuen Schiffsentwurfswerden in der Praxis kosten- und zeitgerechteSimulationsmethoden für potenzialtheoretischeStrömungen eingesetzt. Effekte wie die Viskositätund Rotation der Strömung können mit diesenVerfahren per Definition nicht abgebildet werden.Für die maßgeblich durch Masseneffekte,wellenbedingter Dämpfung und Hydrostatik beeinflusstenBewegungsfreiheitsgrade eines Schiffesist diese Vereinfachung zulässig. Bei der schwachgedämpften Rollbewegung nehmen zähigkeitsbedingteDämpfungsanteile jedoch einen vergleichsweisegroßen Anteil an der Gesamtdämpfung an[1]. Es sind daher zusätzliche Rolldämpfungskoeffizientenfür die zähigkeitsbedingten Effekte in derSimulation notwendig. Diese werden in der Praxisvorwiegend mit empirischen Methoden bestimmt,die maßgeblich aus Versuchen Mitte der siebzigerJahre von Blume und Ikeda [2] abgeleitet wurden.Diese liefern unzureichende Ergebnisse für moderneSchiffsformen.Das Projekt Rollex aus dem BMWi-finanziertenVerbundvorhaben Best-Rolldämpfung Entwicklungvon numerischen und experimentellen Methodenzur Bestimmung der Rolldämpfung befasst sichmit der Simulation der komplexen Strömungsvorgänge,die bei der Rollbewegung sowohl mitals auch ohne Vorausfahrt des Schiffes entstehen.Das Ziel des Verbundvorhabens ist die Analyse derRolldämpfungsanteile sowie die Entwicklung neuerVerfahren zur Bestimmung viskoser Rolldämpfungskoeffizientenmoderner Schiffsformen. Diesesollen bisherige empirische Verfahren basierendauf Modellversuchen älterer Schiffsgeometrien ersetzen.Daraus resultiert eine genauere Bestimmungdes Seegangsverhaltens von Schiffen. Geradebei großen Rollwinkeln eines Schiffes, bei denendeutliche Nichtlinearitäten auftreten, könnendie neu gewonnenen Ergebnisse Aufschluss bei sicherheitsrelevantenFragen liefern.Für die Lösung des Strömungsproblems wirdeine Finite-Volumen-Methode zur Lösung derReynolds-gemittelten inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichung (RANS) verwendet. Die übermehrere Perioden zwangsgeführte Rollbewegungdes Schiffes wird mittels Fourieranalysein einen beschleunigungs- und einen geschwindigkeitsabhängigenTerm (den Dämpfungsanteil)zerlegt. Das verwendete SimulationswerkzeugSTARCCM+ von CD-adapco [3] ist ein weltweiteingesetzter multicore-optimierter RANS-Löser.Der numerische Aufwand zur Analyse derRolldämpfungsanteile ist aufgrund der Vielfalt vonzu untersuchenden Abhängigkeiten und Parametervariationenerheblich. Durch Abhängigkeitsstudienmüssen Fragestellungen zur räumlichen undzeitlichen Diskretisierung des Strömungsproblemsbeantwortet werden. Besondere Aufmerksamkeitfordern dabei das sliding interface zur Umsetzungder erzwungenen Rollschwingung zwischen demfesten äußeren und dem rotierendem inneren Rechengebiet,die Schiffsanhänge und die Behandlungder freien Wasseroberfläche.Um die Strömungsvorgänge und die Einflüsseder modernen Schiffsform und derenIngenieurwissenschaften