Forschung im HLRN-Verbund 2011

130ShipLES - Berechnung der instationären turbulentenSchiffsumströmungEntwicklung und Implementierung der hybriden RANS LES Modelle zurBerechnung der Strömung im Heckbereich von SchiffenN. Kornev, A. Taranov, E. Shchukin, M.Walter,Lehrstuhl für Modellierung und Simulation, UniversitätRostockKurzgefasst• ShipLES ist ein Verbundprojekt zwischen derUniversität Rostock, der SchiffbauversuchsanstaltPotsdam und der Fa. Voith GmbH.• Das Ziel des Projekts ist die Erschließung desPotentials von modernsten numerischen Methodenfür maritime Anwendungen.• Es ist geplant, eine neue numerische Methodezur Modellierung der instationären wirbelbehaftetenStrömung auf der Basis der Grobstruktursimulation(LES) zu entwickeln, zu testen und fürtypische schiffbauliche Anwendungen der Industriezur Verfügung zu stellen.In den letzten Jahren hat sich die numerischeStrömungsberechnung (CFD) zu einem unverzichtbarenWerkzeug bei der hydrodynamischenBewertung, Auslegung und Optimierung von Schiffenund Unterwasserfahrzeugen entwickelt. MathematischeModelle, numerische Rechenverfahrenund Computertechnik ermöglichen zusammen diequalitative und quantitative Berechnung der Schiffsumströmung,was mittlerweile zu einer wertvollenErgänzung der Modelluntersuchungen gewordenist.Am Schiffskörper wie auf allen sich in einemviskosen Medium bewegenden Körpern entstehteine relativ dünne Schicht einer gebremstenFlüssigkeit. Diese Grenzschicht wird entlang desSchiffes dicker und erreicht im Heckbereich eineDicke von etwa ein Prozent der Schiffslänge.Eine abfließende Grenzschicht bildet den Nachstromhinter dem Schiff. Bei Schiffen mit einemgroßen Völligkeitsgrad (z.B. Frachtschiffe, Tanker)kann sich die Schicht im Heckbereich ablösen,was zu wesentlichen Verwirbelungen im Nachstromführt. Der Nachstrom besteht aus mehrerenkonzentrierten Wirbelstrukturen, die wesentlicheUngleichförmigkeiten in der Propelleranströmungverursachen. Dieses Phänomen ist im Schiffbauzu vermeiden, da eine ungleichförmige Anströmungdie Ursache für Propellerschwingungen,Geräuscherzeugung und Kavitation ist.Um die durch Inhomogenität der Anströmungbedingten Schwierigkeiten zu überwinden, wurdendie so genannten Skew Propeller mit den gegender Drehrichtung versetzten Schnitten erfundenAbb. [1]. Diese Erfindung löst aber das Problemnicht vollständig. Die Gewährleistung einer homogenenAnströmung für Propeller bleibt nach wie vordie wichtigste Aufgabe beim Entwurf des Schiffsantriebs.Abbildung 1: Skew Propeller.Als Basis der bisherigen Simulationsmethodendienten die so genannten Reynolds gemitteltenNavier-Stokes-Gleichungen (RANSE), in denendie turbulenten Schwankungsgrößen zeitlichgemittelt werden. Die Ergebnisse von RANS-Rechnungen sind qualitativ hochwertig und anerkannt,wenn die Strömung nicht durch turbulenteErscheinungen dominiert ist. Die Simulation derschwingungserregenden Strömung um das Hinterschiffund den Propeller kann mit den zeitlich gemitteltenNavier-Stokes-Gleichungen nicht durchgeführtwerden. Zur wirklichkeitsnahen Wiedergabezeitlich aufgelöster turbulenter Strömungensind diese Verfahren weitestgehend ungeeignet.Dafür sollen moderne Methoden, in denen diekohärenten Strukturen der Strömung zeitlich undräumlich aufgelöst werden, zum Einsatz kommen.Die direkte numerische Simulation (DNS)ermöglicht die Auflösung von allen Wirbelstrukturender Strömung, beginnend von den kleinstenbis zu den größten Wirbeln. Leider ist die direkteLösung der Navier-Stokes-Gleichungen (DNS)aufgrund der notwendigen feinen räumlichen undzeitlichen Diskretisierung zurzeit weder im Maßstabdes Modells noch für die Großausführungenmöglich. Die Grobstruktursimulation (Large-Eddy-Simulation, LES), die auf räumlich gefilterten Na-Ingenieurwissenschaften