Beteiligte Wissenschaftler

Dr.-Ing. Andreas Peters
Youjun Yang, M.Sc.
Rafael Golf, M.Sc.
Prof. Dr.-Ing. Bettar Ould el Moctar

Projektbeschreibung

Kavitation und Kavitationserosion gehören zu den Phänomenen mit dem größten Stör- und Schadenspotential für Propulsions- und Manövrierorgane von Schiffen. Während z.B. in Kreiselpumpen die Wolkenkavitation als primäre Ursache für Erosion angesehen werden kann, spielt bei Schiffsantrieben zusätzlich die Wirbelkavitation eine Rolle und kann die stromab des Antriebs liegende Rudereinrichtung durch Erosion schädigen. Kavitationsbedingte Erosion kann erhebliche Schäden an Propellern und Rudern verursachen, was im schlimmsten Fall zur Manövrierunfähigkeit des Schiffes führen kann. Zumindest fallen die betroffenen Schiffe aufgrund zusätzlicher Reparaturen und Dockingzeiten aus, wodurch höhere Kosten für die Reeder entstehen.

In dem abgeschlossenen Vorhaben KonKavIII wurden Modelle zur Bewertung der Erosionsgefahr und zur erosionsarmen bzw. -freien Auslegung von Schiffsvortriebsorganen entwickelt. Bei bestimmten Manövern oder bei einer Auslegung mit besonders hohen Energiewirkungsgraden können die Propulsionsorgane stark belastet werden, so dass Erosion nicht gänzlich vermieden werden kann. Nach derzeitigem Stand der Technik ist es nicht möglich, die Erosionsschäden zu quantifizieren und Lebensdauern von Schiffsanhängen zu prognostizieren. Daher werden im Rahmen des Vorhabens „Kav4D“ gekoppelte 3D Strömungs- und Materialsimulationsmethoden zur Vorhersage des zeitlichen Verlaufes von Erosionsschäden weiterentwickelt, validiert und an exemplarischen Testfällen der maritimen Industrie erprobt. Hierzu werden Kavitations- und Erosionsmodelle in Form eines „High Precision Tool“ (Auflösung der relevanten Strömungsphysik bei hoher Rechenzeit) und eines schnellen „Fast Solution Tool“ (Impliziter Löser, Kavitations- und Erosionsmodell mit angepassten

Modellparametern) entwickelt und bereitgestellt, zwischen denen der Anwender je nach verfügbaren Rechenressourcen wählen kann. Eine Implementierung der Tools ist in OpenFOAM als auch in ANSYS-CFX vorgesehen, weitere Programme sind möglich. Die resultierenden Tools ermöglichen eine zuverlässige Prognose des Erosionsortes, der Inkubationszeit sowie Abtragsrate und damit eine Einordnung von konstruktiven Varianten, unterschiedlichen Werkstoffen und Betriebsbedingungen bzgl. des zeitlichen Erosionsverlaufs und der Lebensdauer. Die Validierung der Tools erfolgt neben grundlegenden Testfällen (Basisanwendungen) auch an realen und für das Produktportfolio des jeweiligen Herstellers repräsentativen Leitanwendungen, die von den beteiligten Unternehmen zur Verfügung gestellt werden. Des Weiteren soll im Rahmen eines beispielhaften Versuchsaufbaus überprüft werden, inwieweit sich Maßnahmen zur Oberflächenbeschichtung (Mineral Coated Surface Beschichtungen) positiv auf das Erosionsverhalten eines Propellers auswirken. Hierzu fertigt der Partner MMG Materialproben an, welche in der Universität Duisburg untersucht werden. Ferner wird im Unternehmen überprüft, wie sich das Verfahren der Oberflächenbehandlung im industriellen Kontext der Großpropellerfertigung umsetzen lässt.

Beispielergebnisse

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Abb.1: Vergleich der Kavitation an einem Tragflügelprofil im Versuch (links) und in der Simulation (rechts)
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Abb.2: Numerische Vorhersage von Kavitation und Erosion in einer rotationssymmetrischen Düse
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