Reduzierung von Unterwassergeräuschen durch Schiffsschrauben

Der Unterwassergeräusch, das von Schiffsschrauben erzeugt wird, ist ein wachsendes Problem für marine Ökosysteme. Es besteht ein grosser Bedarf in der Branche, diesen Lärm während des Schiffsbetriebs zu senken. Diese Studie konzentriert sich darauf, zu verstehen, wie marine Propeller Geräusche erzeugen und wie sich diese Geräusche im Wasser ausbreiten. Das Hauptziel ist es, einen vollwertigen marinen Propeller zu untersuchen und Möglichkeiten zu finden, den erzeugten Lärm zu reduzieren.

#Hintergrund

Schiffsschrauben erzeugen Unterwassergeräusche, die das Meeresleben schädigen und die Navigation beeinträchtigen können. Dieser Lärm stammt aus drei Hauptquellen: Maschinen, Propellern und der Bewegung des Wassers. Während Maschinenlärm oft laut ist, kann Propellergeräusch besonders schädlich sein. Die meisten modernen Propeller sind darauf ausgelegt, effizient zu arbeiten, aber das kann manchmal zu einem Anstieg des Lärms wegen Kavitation führen.

Kavitation tritt auf, wenn der Druck um den Propeller so stark abfällt, dass Blasen entstehen. Diese Blasen kollabieren dann und erzeugen Geräusche und Vibrationen. Es ist wichtig, sowohl den Wasserfluss um den Propeller als auch die Auswirkungen dieser Kavitation auf die Geräuschpegel zu analysieren.

#Studienansatz

In dieser Studie werden fortschrittliche Computermodellierungswerkzeuge verwendet, um zu analysieren, wie sich Wasser um einen Propeller bewegt und wie diese Bewegung Geräusche erzeugt. Dabei wird die Large Eddy Simulation (LES) eingesetzt, eine Methode zur Simulation turbulenter Strömungen, und ein spezielles Modell zur Berücksichtigung von Kavitation. Der erzeugte Lärm wird dann mit akustischen Methoden untersucht.

Ein bekanntes Testfeld, das Potsdam Propeller Test Case (PPTC) genannt wird, wird für die Analyse verwendet. Durch den Vergleich der Modellresultate mit experimentellen Daten kann die Genauigkeit der Simulation bestätigt werden. Die Schwerpunktbereiche umfassen die Druckverteilung auf dem Propeller, das Verhalten der Kavitation und die resultierenden Geräuschpegel.

#Verständnis von Propellergeräuschen

Wenn ein Propeller betrieben wird, interagiert er mit Wasser auf eine Weise, die Klang erzeugt. Wichtige Faktoren sind:

1. Druckänderungen: Der Druck auf der Oberfläche des Propellers ändert sich aufgrund des Wasserflusses. Diese Änderung ist chaotischer, wenn Kavitation auftritt.

2. Kavitationsmuster: Die Bildung von Kavitationsblasen und ihr Zusammenbruch spielen eine grosse Rolle bei den Geräuschpegeln.

3. Geräuschfrequenzen: Der Lärm umfasst sowohl gleichmässige (tonale) Geräusche, die mit den Propellerblättern in Verbindung stehen, die durch das Wasser gehen, als auch zufälligere (breitbandige) Geräusche, die aus turbulentem Fluss und kollabierenden Blasen stammen.

#Methodologie

Die Studie umfasst Computersimulationen, die sowohl kavitative als auch nicht-kavitative Bedingungen eines fünfblättrigen Propellers betrachten. Die Simulationsarbeiten sind in mehrere Schritte unterteilt:

1. Fluidmechanik: Modellierung des Verhaltens von Wasser um den Propeller unter Berücksichtigung von Turbulenzen und Kavitation.

2. Kavitationsmodellierung: Verwendung einer Methode zur Simulation, wie und wann Kavitation auftritt und wie sie den Wasserfluss beeinflusst.

3. Akustische Modellierung: Anwendung einer speziellen Methode zur Vorhersage, wie Lärm vom Propeller erzeugt wird und wie er sich durch das Wasser ausbreitet.

4. Gittererstellung: Ein detailliertes Gitter (oder Netz) wird erstellt, um sicherzustellen, dass die Simulation alle wichtigen Details der Fluidbewegung und Kavitation erfasst.

5. Validierung: Die Ergebnisse der Simulationen werden mit realen experimentellen Daten verglichen, um die Genauigkeit zu überprüfen.

#Ergebnisse

#Strömungseigenschaften

Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verhalten des Wassers um den Propeller signifikant ändert, wenn Kavitation auftritt. Der Fluss wird chaotischer, insbesondere um die Spitzen der Blätter. Dieser chaotische Fluss führt zu grösseren Druckschwankungen und trägt zu erhöhten Geräuschpegeln bei.

#Druckverteilung

Der Druck auf der Propelleroberfläche ist während kavitativer Bedingungen ungleichmässiger im Vergleich zu nicht-kavitativen Bedingungen. Dieser ungleiche Druck trägt zu stärkeren und komplexeren Geräuschmustern bei. Wenn Kavitation auftritt, erleben bestimmte Bereiche des Propellers niedrigen Druck, was mit den Standorten der Kavitationsblasen korreliert.

#Wirbel und Geräuscherzeugung

Die Studie identifiziert ausgeprägte Wirbelmuster, die mit Kavitation verbunden sind. Diese Wirbel zerfallen, während sie stromabwärts gehen, was zu mehr Turbulenz und Lärm führt. Der Lärm, der von kavitativen Propellern erzeugt wird, ist lauter, mit starken Spitzen bei Tieffrequenzgeräuschen, die direkt mit dem Zusammenbruch von Kavitationsblasen verbunden sind.

#Akustische Leistung

Die Schallpegel (SPL) für sowohl kavitative als auch nicht-kavitative Bedingungen werden verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass kavitative Propeller höhere Schallpegel erzeugen.

#Geräuschnatur

Geräusche werden aus mehreren Winkeln um den Propeller aufgenommen, sowohl in der Nähe als auch in der Ferne. Die Analyse zeigt, dass der Lärm in Richtung stromabwärts vom Propeller am stärksten ist. Das bedeutet, dass Meereslebewesen und Schiffe, die sich in dieser Richtung befinden, am meisten von dem erzeugten Lärm betroffen wären.

#Frequenzspektrumanalyse

Eine detaillierte Untersuchung der Geräuschfrequenzen zeigt, dass Kavitation zu einem breiteren Spektrum von Geräuschen über verschiedene Frequenzen führt. Die mit dem Lärm verbundene Energie ist in kavitativen Bedingungen durchweg höher als in nicht-kavitativen Bedingungen, was auf einen bedeutenderen Einfluss auf marine Umgebungen hinweist.

#Fazit

Diese Studie unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses der Beziehung zwischen Kavitation, Strömungsdynamik und Geräuscherzeugung in marinen Propellern. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass:

1. Kavitation erhöht Lärm: Das Vorhandensein von Kavitation führt zu einem signifikanten Anstieg der Intensität und Komplexität des Unterwassergeräuschs, das von Propellern erzeugt wird.

2. Geräuscheigenschaften: Sowohl tonale als auch breitbandige Geräuschkomponenten werden durch Kavitation verstärkt, was negative Auswirkungen auf das Meeresleben und die Navigation haben kann.

3. Bedeutung genauer Modellierung: Der Einsatz fortschrittlicher Berechnungsmethoden ermöglicht ein besseres Verständnis dieser Prozesse, was bei der Entwicklung leiserer maritimer Technologien hilft.

4. Zukünftige Arbeiten: Weitere Forschungen sind erforderlich, um Möglichkeiten zu finden, Kavitation und Geräuscherzeugung zu reduzieren, ohne die Effizienz mariner Propeller zu beeinträchtigen.

#Zukünftige Richtungen

Das aus dieser Studie gewonnene Wissen kann genutzt werden, um leisere und effizientere Propellersysteme zu entwerfen. Ausserdem wird es entscheidend sein, zu verstehen, wie die kavitative Nachlaufströmung mit anderen Teilen des Schiffs, wie dem Rumpf oder umliegenden Strukturen, interagiert, um zukünftige Studien voranzutreiben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit der Weiterentwicklung der Schiffs technologie ein Fokus auf die Reduzierung von Unterwassergeräuschen grossen Nutzen für marine Ökosysteme bringen wird, während gleichzeitig sichere und effiziente Abläufe in maritimen Umgebungen gewährleistet werden.