ProEis/MOUSE - Modellierung der Umströmung von Schiffen in eisbedeckten Gewässern

Die nachhaltigen klimatischen Veränderungen erlauben bereits in naher Zukunft eine Zunahme
des Schiffsverkehrs in arktischen Gewässern. Diese Verkehrszunahme ist aufgrund
der geplanten intensiveren Bewirtschaftung arktischer Gebiete, insbesondere im Zusammenhang
mit dem Ausbau der Rohstoffgewinnung, sowie der möglichen Verkürzung der
Seetransportwege zwischen Europa und Amerika bzw. Europa und Asien von großer Bedeutung
und besonderem wirtschaftlichen Interesse. Die wirtschaftliche Bedeutung schließt auch
den Transport- und Verkehrssektor und dessen Anpassung auf die besonderen arktischen
Bedingungen ein. Damit verstärkt Marktanteile in dem Wachstumssegment für arktische
Schiffstechnik gewonnen werden können, bedarf es einer Vielzahl von Innovationen mit signifikantem
Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

Vor dem oben genannten Hintergrund widmet sich das Verbundprojekt ProEis der Hydrodynamik
eisgehender Schiffe. Im Fokus stehen die Propeller/Rumpf/Eis-Wechselwirkung und
die eismechanischen Belastung des Propellers. Ziel des ProEis-Projektes ist die Entwicklung
und Validierung von Simulationswerkzeugen durch ein Expertenteam aus Mitarbeitern einer
Werft, zweier Schiffsantriebshersteller, einer Klassifikationsgesellschaft, einer Versuchsanstalt,
einem auf Großausführungsmessungen spezialisierten Industrieunternehmen und einer
Universität. Die Werkzeuge sollen eine Analyse der Schiffumströmung in eisbedecktem Gewässer,
die Prognose des Eiseinflusses auf den Propulsionswirkungsgrad und die Berechnung
der eisinduzierten Propellerbelastung ermöglichen. Die genannten Aspekte sind weitestgehend
unverstanden und repräsentieren sowohl ein erhebliches Risiko in Bezug auf die
lastgerechte Auslegung des Propellers als auch ein großes Optimierungspotenzial. Mit Hilfe
der Simulationen sollen Designanpassung und Konzeptoptimierungen für Schiffe und
Schiffsantriebe durchgeführt werden können. Gleichzeitig sollen die Simulationen den Nachweis
der Verträglichkeit mit den Regeln des sicheren Verkehrs in polaren Gewässern unterstützen.

Der Teilantrag der TUHH befasst sich mit der Entwicklung und Validierung eines Simulationsverfahrens
mit dem sowohl die Rumpfumströmung in eisbedeckten Gewässern, als auch
der Einfluss von Eisdurchtritt durch die Propellerebene auf die Propulsionscharakteristik,
effizient simuliert werden können. Grundlage der beantragten Arbeiten ist die Kopplung eines
kontaktdynamischen Verfahrens zur Erfassung der dynamischen Mehrkörper-
Kollisionsprozesse von starren Körpern (engl. Physics-Engine; PE) mit einem recheneffizienten
Strömungssimulationsverfahren auf der Grundlage der Gitter-Boltzmann (engl. Lattice
Boltzmann; LB) -Techniken. Die Validierung der Berechnungsverfahren geschieht mit Hilfe
von Eistankdaten der HSVA bzw. von Großausführungsmessungen durch die Partner Develogic,
Nordic Yards und HSVA. Die Modellierung der Propulsion erfolgt wahlweise zeitauflösend,
geometrieauflösend oder umfangsgemittelt und wird in Zusammenarbeit mir der
HSVA-Abteilung Propeller und Kavitation durchgeführt.
 

Stichworte

• CFD-Simulation
• Eissimulation
• Fluid-Struktur-Interaktion
• Hochleistungsrechnen
• Mehrkörperdynamik-Modellierung
• Propeller-Rumpf-Eis Interaktion