Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff ... · Wasserbau · Referat K2 · Marko Kastens · 19. September 2013 Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff

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Einsatz numerischer Methoden für die FachaufgabeSchiff – Wasserstraße (genauer: Seeschiff – Seeschifffahrtsstraße)

Es gilt das gesprochene Wort.

Seite 2Einsatz num.Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße

Wasserbau · Referat K2 · Marko Kastens · 19. September 2013

Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße

Übersicht: Methoden der Fachaufgabe WSS (Wechselwirkung Seeschiff – Seeschifffahrtsstraße)

Seite 2Fachaufgabe WSS – Schwerpunkte und Methoden

Wasserbau · Referat K2 · Dr.-Ing. K. Uliczka · September 2011

WSS

Naturmessungen : Schiffsdynamik, Belastung …

UnTrim: Tide- & StoffdynamikUnTrim: Wellenausbreitung

Schiffsführungssimulation: Sicherheit und Leichtigkeit

Hydraulische Modelle: Kräfte, Dynamik …







WSS



CFD: SchiffshydrodynamikSchiffsführungssimulation: Sicherheit und Leichtigkeit

UnTrim2-Ship (USS): Wasserstand & Strömung





Sichtweise:

Schiffshydrodynamik � Schiff

Squat βTrimm

Sichtweise:

Ästuardynamik � Wasserstraße

Schiffshydrodynamik

Ziel:

Berechnung von Squat und Trimm

Ästuardynamik

Ziel:

Wirkung des Schiffsverkehrs auf Wasserstand und Strömung




Motivation:

Soft- und Hardware sind heute auf einem technischen Stand, so dass die BAW-typische Schiffshydrodynamik am Computer in erträglichen Zeiten (Tage) simuliert werden kann.

Vision:

Anfragen zur Schiffsdynamik werden zukünftig zweigleisig bearbeitet: zum einen der Modellversuch (klassisch) und zusätzlich Simulationen im Computer zur Unterstützung und Lückenfüllung einer Versuchsmatrix.

Messungen bilden nach wie vor das Rückgrat zu den Aussagen !!!

Meilensteine des F&E Projektes:

• Start vor ca. 3 Jahren

• Zäsur vor einem Jahr � Optimierung der Parallelisierung � jetzt arbeitsfähig

Schiffshydrodynamik




• Kommerzielles Softwareprodukt (mit Support)

• Grundlage: RANSE (mit SIMPLE)

• 3 dimensional

• Mehrphasenmodell (Luft + Wasser)

• VOF (Wellen)

• Instationär, implizit

• K-Epsilon Turbulenzmodell-Familie (Realizable K-e-Modell mit 2 Layer Ansatz nach Wolfstein)

Kräfte auf das Schiff (DFBI):

• Gravitation

• Druck- und Scherkräfte

� Bewegung des Netzes (Morphing)

Schiffshydrodynamik – Beschreibung des mathematischen Modells




Besonderheiten des Versuchsaufbaus/Modells:• sehr geringe Kielfreiheit (h/T=18m/16m=1.125)

• enge Querschnitte

• Bewegung des Schiffes

• Bewegung des Schiffes bis zum Aufsetzen � Volumen werden fast Null

• Anströmung (Bewegung des Wassers, nicht des Schiffs)

Schiffshydrodynamik – Besonderheiten (Versuchsaufbau/Modell)

Querschnitt (orientiert an Messungen):

reale Maße: schwarzMaßstab 1:40: rotn = 10 (n=A/As)




• Schiffshülle � fehlerfrei und dicht

• eindeutige Orientierung

• keine Einstülpungen (richtige Mannigfaltigkeit)

• keine Löcher

• � Reparatur der Hülle (sehr zeitaufwendig; 3D-CAD Verfahren)

• Simulationsgebiet festlegen

• physikalische Rahmenbedingungen

• numerische Rahmenbedingungen

• Erfahrungswissen

• Modellphysik mit Randwerten

• Modelldiskretisierung

• Volumennetz besteht aus prismatischen Schichtenund Tetra-, Hexa- oder Polyeder

• � Zellen: 1.5 – 12 Mio.

• Ressourcen

• Simulationsdauer: 700s � 20 – 100h

• Computerressourcen: 32/64 CPUs

Schiffshydrodynamik - Modellaufbau




Schiffshydrodynamik - Versuchsablauf

Verformung des Netzes




Schiffshydrodynamik - Versuchsablauf

Wasserspiegelauslenkung (40 fach überhöht)




Schiffshydrodynamik - Ergebnisse

Squatv = 0.6 0.8 1.0 1.1 1.15 1.175 1.2 m/s




Schiffshydrodynamik - Ergebnisse

Trimmv = 0.6 0.8 1.0 1.1 1.15 1.175 1.2 m/s

Hinweis: 0.13 Grad � ~ 1cm Squat (9m Schiff im Modell 1:40)




• Stabilität? – gegeben, wenn der Kiel nicht zu nah am Boden ist

• Konvergenz? – das Modell konvergiert zu einer Lösung (geringe Oszillationen)

• Reproduzierbarkeit? – die Modellergebnisse sind reproduzierbar [Maschine, 32/64 Bit ]

• Sensitivitäten (zu diesem Modell, nicht allgemein):

• Anströmgeschwindigkeit (++)

• Art der Randbedingung (++) [SLIP oder NoSLIP]

• Anfangsbedingung (++/o) [Lage des Schiffs; evtl. bereits Ausgangslage]

• Modellgebiet (o) [jetzige Dimensionen mit Bank � sonst Windeinfluss]

• Diskretisierung (o) [bei Bug/Heck/Kiel 2.5cm / Wasseroberfläche(Z) 2.5cm / Wasser 20cm]

• Zeitliche Auflösung (o) [bei Zeitschrittweite < 0.2 s]

• Wind (o) [Windgeschwindigkeit = Wassergeschwindigkeit oder 0 m/s]

• Turbulenzmodell (?)

Schiffshydrodynamik – Einschätzung des Verfahrens




Vergleich mit Messungen aus dem hydraulischen Modell

Schiffshydrodynamik – Validität

7.4 8.6 9.8 11.1 12.3 13.5 14.8 16.0

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

2.4

0

10

20

30

40

50

60

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3

Geschwindigkeit (real) [kn]

Sq

uat

(re

al)

[m

]

Sq

uat

(M

od

ell)

[m

m]

Geschwindigkeit (Modell) [m/s]

Querschnittsverhältnis 1:10

Messung Bug Modell [mm]

Messung Heck Modell[mm]

Generation13 [mm]

G13 Bug [mm]

G13 Heck [mm]




Problem: das Anströmen des Schiffs

• � neue Technologie: Overset (Bewegung eines Netzes in einem anderen Netz)

• wird mit jeder neuen Version stabiler (Anfangs viele Kinderkrankheiten)

• Wird genutzt in den WSV-Projekten: Begegnung und Trossenkräfte

Schiffshydrodynamik – Ausblick

ca. 11 Tage







WSS



CFD: SchiffshydrodynamikSchiffsführungssimulation: Sicherheit und Leichtigkeit

UnTrim2-Ship (USS): Wasserstand & Strömung





Hat ein Schiff Einfluss auf die Ästuardynamik?In 2012 haben 2859 PPM-Schiffe (Breite > 32m) Wedel nach/von Hamburg passiert.

Hat die Strömungsänderung durch Schiffe einen nachhaltigen Einfluss?

Meilensteine des FuE-Projektes:• Erweiterung von UnTRIM² � neue Randbedingung (Decke) [Prof. Casulli*, Uni. Trient]

• Implementierung der neuen Version in das BAW-Framework (April 2013)

• Aufbau eines neuen Interfaces “IO_Ship”

• Erste Tests ab April/Mai 2013

* Casulli,V. & Zanolli,P. (2012): Iterative solutions of mildly nonlinear systems, Journal of Computational and Applied Mathematics, Volume 236, Issue 16, Pages 3937-3947, 10.1016/j.cam.2012.02.042.

Ästuardynamik - Kernfragen




Ästuardynamik - Modellaufbau

14.5

m

60.5 m

Zufluß:2.856 m³/s �0.6 m/s

Randbedingung: konstanter Wasserstand mit 0 m

Berechnungsnetz:dx = dy = 0.5 m � 3509 Elemente

Subgrid:dxSG = dySG = 0.1 m � 87725 Elemente

„Schiff“ bei 30 m: Breite: 1.375 mLänge: 9.39 mTiefgang: 0.2 m




Ästuardynamik – Bernoulli-Prinzip - Wasserstand

ohne Schiff/Hindernismit Schiff/Hindernis

Unter dem „Schiff“ entspricht der Wasserstand einem Druck




Ästuardynamik – Bernoulli-Prinzip – Strömungsgeschwindigkeit

ohne Schiff/Hindernismit Schiff/Hindernis

Energieerhaltung ok




Ästuardynamik – Ausblick

� weitere Tests: Wellenmuster, 3D, nicht-hydrostatisch, …� Validierung� Implementierung von komplexen Geometrien� Bewegung




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