Auswirkungen von Freiflächen auf die turbulente kinetische Energie in Schiffen

Turbulente kinetische Energie (TKE) ist ein schicker Begriff, um die unbeständigen Lasten zu messen, denen Schiffe beim Durchfahren von Wasser ausgesetzt sind. Diese Messung ist wichtig für das Design von Propellern und Geräten zur Energieeinsparung. Meistens werden Simulationen mit einem vereinfachten Modell gemacht, das Symmetrie annimmt, um Zeit und Aufwand zu sparen. In der Realität haben Schiffe jedoch nicht diesen Luxus. Sie haben es mit einer freien Wasseroberfläche zu tun, die das Ganze völlig verändern kann.

In einer Fallstudie über ein grosses Schiff, das als Japan Bulk Carrier bekannt ist, wurden Simulationen sowohl mit als auch ohne Berücksichtigung der freien Oberfläche durchgeführt. Diese Simulationen untersuchten die TKE in den Wirbelkernen hinter dem Schiff. Es wurde auch darauf geachtet, das Zentrum dieser Wirbel zu bestimmen, da dies entscheidend für das Verständnis der Strömungsmuster ist.

Interessanterweise zeigten die feinmaschigen Simulationen einen unerwarteten Trend in der TKE, was eine tiefere Untersuchung erforderte, um methodenbedingte Probleme beim Einsatz eines hybriden Modells auszuschliessen. Im Grunde stellten wir fest, dass das Verschieben der Positionen der Wirbelkerne die Ergebnisse erheblich veränderte, was Fragen zur Zuverlässigkeit der experimentellen Zentrumspunkte aufwirft.

Um den Vergleich der Ergebnisse zu verbessern, wurde für alle Fälle eine feste Position für die Wirbelkerne verwendet. Diese Änderung offenbarte eine andere Geschichte. Die mittleren Netze wurden dann angepasst, und ein Verfeinerungsbereich wurde weiter nach vorne ausgeweitet, was zu Ergebnissen führte, die besser mit den feinen Netzen übereinstimmten. Es stellte sich heraus, dass es bei der Betrachtung der TKE als Ganzes nicht viel Unterschied zwischen Simulationen gab, die die Freie Oberfläche einbezogen, und solchen, die das nicht taten. Die Struktur des Schiffs wurde jedoch weiterhin von der Wasseroberfläche beeinflusst, was lokale Eigenschaften veränderte.

Da sich alle mehr um Energieeffizienz sorgten, aus ökologischen Gründen, gab es einen starken Drang, Optimierungen und Geräte zu entwickeln, um den Energiebedarf für grosse Schiffe zu senken. Viele Studien zeigten, dass Verbesserungen oft marginal sind, was Debatten darüber auslöste, ob Simulationsergebnisse wirklich zu Verbesserungen in der realen Welt führen können. Viele einfachere Modelle ignorierten die freie Oberfläche völlig und verwendeten stattdessen einen flachen Spiegel. Aber da selbst langsame Schiffe Wellen hinter sich erzeugen, ist klar, dass eine freie Oberfläche die Strömung um sie herum beeinflusst.

Neuere Software-Tools können freie Oberflächen durch verschiedene Methoden handhaben. Forschungen über Unterwasserobjekte nahe der Oberfläche haben gezeigt, dass sich das Strömungsmuster und der Widerstand selbst bei niedrigen Geschwindigkeiten ändern. Bei grösseren Schiffen wurden Unterschiede in den Strömungsgeschwindigkeiten festgestellt, jedoch hatten sie in der Regel keinen Einfluss auf wichtige Faktoren wie den Widerstand. In extremeren Situationen, wie zum Beispiel bei Wellen, war der Einfluss auf Energieeinsparungsgeräte (ESDs) so erheblich, dass der Verlust an Schub mit ESDs grösser war als ohne.

Turbulente kinetische Energie bleibt eine wichtige Messgrösse, da sie nicht nur den Schub, sondern auch die strukturelle Integrität beeinflusst. Das Hauptziel dieser Studie war es, zu sehen, wie die freie Oberfläche die TKE rund um den Nachlauf des Japan Bulk Carrier beeinflusst. Sie hofften, Einblicke zu gewinnen, um zu verstehen, wie wichtig die Schnittstelle ist, wenn man Ergebnisse analysiert, die durch wechselnde Lasten beeinflusst werden könnten.

Das Paper begann mit Erklärungen zur Motivation und zum bestehenden Wissen, bevor es in den theoretischen Hintergrund, die Netz-Setups und die Fall-Spezifikationen eintauchte. Der Ergebnisabschnitt präsentierte einige grundlegende Validierungsdaten, gefolgt von einer Diskussion über Netz-Konvergenz und vorläufige Ergebnisse. Weitere Simulationen und Analysen wurden aufgrund von Konsistenzproblemen durchgeführt, und diese wurden in der Diskussion ausführlich untersucht.

Unbeständige Lasten, die auf die Propeller im Nachlauf eines Schiffs wirken, werden normalerweise durch drei Dinge verursacht: Änderungen in der Geschwindigkeit durch Variationen in der Geschwindigkeit des Schiffs oder den umgebenden Wellen, Uneinheitlichkeit im Nachlauf und starke Turbulenzen, insbesondere bei grösseren Schiffen wie Tankern und Massengutfrachtern. Während der erste Punkt nicht untersucht wurde, könnte der zweite mit allgemein akzeptierten Techniken abgedeckt werden, während die Analyse des dritten eine Untersuchung von Turbulenzstrukturen mit fortgeschritteneren Methoden erforderte.

Ein früherer Workshop hob hervor, dass die TKE-Werte in verschiedenen Abschnitten hinter dem Japan Bulk Carrier signifikant variieren, wenn sie mit unterschiedlichen Techniken berechnet werden. Frühere Studien wiesen darauf hin, dass Schwankungen des Propellerschubs, die in URANS (einer traditionelleren Simulationsmethode) identifiziert wurden, tendenziell regelmässig und niedrig sind. Im Vergleich dazu waren die Schwankungen des Schubs, die durch hybride Methoden identifiziert wurden, unregelmässig mit höheren Spitzen. Das verdeutlichte die Notwendigkeit, hybride Methoden zu verwenden, um Turbulenzen im Nachlauf genau zu erfassen.

Interessanterweise stellte eine Studie fest, dass die freie Oberfläche einen gewissen Einfluss hatte, während eine andere keinen signifikanten Zusammenhang fand. Es ist jedoch entscheidend, diese Ergebnisse genau zu analysieren. Frühere Experimente, die am Japan Bulk Carrier durchgeführt wurden, fanden bei einer niedrigen Froude-Zahl statt, was die Annahme der Symmetrie im Modellieren ermöglichte. Allerdings haben nur einige wenige Simulationen untersucht, wie die freie Oberfläche die Strömung beeinflusste. Keine dieser Simulationen wurde mit fortgeschrittenen turbulenzaufgelösten Methoden durchgeführt.

In früheren Forschungen wurden Versuche unternommen, den Einfluss freier Oberflächen auf die TKE hauptsächlich durch Experimente zu messen. Eine grundlegende Erkenntnis ist, dass es Unterschiede in der Druckverteilung gibt, die durch das sich bewegende Schiff entstehen, das Wellen erzeugt und die Oberfläche verändert. Diese essentielle Veränderung beeinflusst die Druckmuster und ist besonders deutlich, wenn man kleine Bewegungen berücksichtigt.

Ein Forscher führte Experimente mit flachen Platten und ungestörten Oberflächen durch, um den Nachlauf mit Partikelbildgeschwindigkeitsmessung zu analysieren. Er zeigte, dass sekundäre Strömungen aus den gemischten Randbedingungen aufgrund der freien Oberfläche entstanden. Andere zeigten, dass Turbulenzen, die durch freie Oberflächen verursacht wurden, mit Wellenbrechung verbunden waren, und weitere Studien zeigten, dass selbst kurze und steile Laborwellen Turbulenzen aufgrund der Bewegung des Wassers hervorrufen können.

Weitere Studien zeigten, dass freie Oberflächen die Geschwindigkeitsfelder verändern können, wie in CFD-Simulationen festgestellt. Die Ergebnisse aus Simulationen mit der Volumen-der-Flüssigkeit-Methode stimmten eher mit den tatsächlichen experimentellen Ergebnissen überein. Es wurde festgestellt, dass die TKE aufgrund der freien Oberfläche höher war, was zu einer Verlangsamung des Flusses führte, selbst bei niedrigeren Geschwindigkeiten. Dennoch basierten diese Simulationen hauptsächlich auf traditionellen Methoden, was zu begrenzten Einblicken in detaillierte Strömungsmerkmale führte.

Eine kürzlich durchgeführte Studie versuchte, das Problem zu behandeln, verwendete jedoch nur eine einzige Netzgrösse. Es wurde anerkannt, dass kleinere Courant-Zahlen und eine längere durchschnittliche Zeit bei der Verwendung von skalenauflösenden Methoden bevorzugt werden, da anfängliche Entscheidungen zu einer mehrdeutigen Identifizierung der Wirbelkerne geführt haben könnten. Die Notwendigkeit unterschiedlicher Netzgrössen wurde damals nicht erkannt, und Unterschiede in den Ergebnissen entstanden aus späteren Anpassungen.

Für Schiffe wird über einer bestimmten Geschwindigkeit von einem voll turbulenten Fluss ausgegangen. Die übliche Entwurfsgeschwindigkeit für Schiffe entspricht jedoch typischerweise einem Bereich, in dem die Turbulenz nicht vollständig entwickelt ist. Ein hybrides Modell ist optimal, wenn es signifikante Abtrennungen in der Grenzschicht gibt. Da Turbulenzen ein schnell schwankendes Verhalten sind, werden transiente CFD-Codes entscheidend, um den Fluss genau zu beschreiben.

Die Simulationen verwendeten ein bestimmtes Turbulenzmodell, um sicherzustellen, dass die aufgelöste TKE mit den erwarteten Ergebnissen übereinstimmt. Es war wichtig, eine Mischfunktion für das hybride Modell zu implementieren, die einen sanfteren Übergang zwischen den Modellierungsmethoden ermöglicht. Die erstellten Netze wurden durch frühere Benchmarks validiert, und Simulationen wurden mit verschiedenen Methoden durchgeführt, um die freie Oberfläche zu analysieren.

Es gibt verschiedene Methoden, um die freie Oberfläche in der rechnerischen Fluiddynamik zu modellieren. Die Studie verwendete hauptsächlich zwei Ansätze aus dem OpenFOAM-Framework. Der eine war algebraisches VOF, während der andere geometrisches VOF war, was präzisere Interaktionen an der Wasseroberfläche ermöglichte. Diese Simulationen wurden mit früheren Forschungsergebnissen verglichen, um Konsistenz und Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Ein wichtiger Teil der Studie bestand darin, manuell einen Bereich um den Wirbelkern zu extrahieren, um die TKE zu analysieren und die maximale axiale Wirblichkeit zu suchen. Die gesammelten Ergebnisse wurden dann verarbeitet, um die TKE zu visualisieren und die Position der Wirbelkerne genau zu identifizieren. Diese Analysen zielten darauf ab, die Intensität der Turbulenzen in Bezug auf die Wirbel zu bewerten und die Strömungsmerkmale, die in den Simulationen erfasst wurden, zu evaluieren.

Es wurden unterschiedliche Netze erstellt, um einen angemessenen Gitterabstand für genaue Ergebnisse sicherzustellen, mit einer Referenzlänge basierend auf den Abmessungen des Schiffs. Der Einsatz eines hybriden Ansatzes erlaubte eine effiziente Verwendung von Wandfunktionen. Die feinen Netze mussten besonders rund um die Wasserlinie ausreichend aufgelöst sein, um die Schnittstelle effektiv einzufangen.

Die Randbedingungen wurden festgelegt, um realistische Fluidverhalten zu simulieren, und Leistungsbewertungen wurden mit Hochleistungsrechner-Ressourcen durchgeführt, um die Simulationen zu betreiben. Die Ergebnisse wurden durch verschiedene Methoden analysiert, wobei die TKE-Verteilungen betrachtet wurden, um sicherzustellen, dass sie eng mit den experimentellen Daten übereinstimmten.

Eine wesentliche Beobachtung war, dass die TKE-Werte erheblich zwischen verschiedenen Netzgrössen und verwendeten Methoden schwankten. Während Netz-Konvergenzstudien wichtig sind, können sie bei hybriden Methoden kompliziert werden. Obwohl einige Diskrepanzen festgestellt wurden, ist es wichtig zu verstehen, dass diese Unterschiede sowohl aus der Methode selbst als auch aus den verwendeten Netzgrössen stammen könnten.

Als die Ergebnisse gemäss den festgelegten Richtlinien präsentiert wurden, wurde klar, dass die Variationen in der TKE offensichtlich waren, was die Komplexität der Strömungsmuster anzeigt. Die Methodik stellte auch ein festes Wirbelzentrum für zukünftige Beobachtungen auf. Diese Methode half, die Vergleiche zu standardisieren und deutete auf eine verbesserte Ausrichtung der Ergebnisse hin.

Bei der Untersuchung der Gesamttendenzen fiel auf, dass die integralen TKE-Werte keine signifikanten Unterschiede zwischen den Einphasen- und Zweiphasensimulationen zeigten. Die räumlichen Verteilungen wiesen jedoch einige Abweichungen auf, was darauf hindeutet, dass Faktoren wie die Netzgrösse unter bestimmten Bedingungen eine entscheidende Rolle spielen könnten.

Nachdem die Analyse der Wirbelkernpositionen und die Anpassung der Gitterkonfigurationen abgeschlossen waren, begannen die TKE-Verteilungen, sich auf zuverlässigere Weise zu konvergieren. Trotz früherer Bedenken bezüglich des feinen Netzes zeigten weitere Verfeinerungen, dass es Einblicke liefern könnte, die näher an den experimentellen Ergebnissen liegen.

Letztendlich, auch wenn die freie Oberfläche wenig Einfluss auf die TKE-Messungen hatte, blieb die Art und Weise, wie sie unterschiedliche räumliche Eigenschaften darstellt, ein zentraler Punkt. Wenn man Geräte berücksichtigt, die von den Effekten der Strömung abhängen, könnte die freie Oberfläche die Druckverteilungen erheblich verändern und muss in Simulationen sorgfältig berücksichtigt werden, um genaue Designs zu gewährleisten.

Zusammenfassend bleibt die Untersuchung des Einflusses freier Oberflächen bei der Messung der turbulenten kinetischen Energie eine komplexe, aber wichtige Aufgabe für das Schiffsdesign. Während die Ergebnisse keine signifikanten Unterschiede in der gesamten TKE zeigen, hebt die variierende räumliche Verteilung die Bedeutung detaillierter Simulationen hervor. In Zukunft ist es wichtig, diese Ergebnisse zu berücksichtigen und weiterhin zu erkunden, wie freie Oberflächen verschiedene Schiffdesigns beeinflussen, insbesondere in herausfordernden Umgebungen wie flachen Gewässern oder unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

Weitere Forschungen werden untersuchen, wie diese Ergebnisse auf verschiedene Schiffstypen und Bedingungen angewendet werden können, was zu einem besseren Verständnis der Beziehung zwischen TKE, freien Oberflächen und insgesamt der Energieeffizienz führt. Auf dem Weg zu umweltfreundlicheren und effizienteren Schifffahrtspraktiken hilft jede kleine Verbesserung.