Maßstabseffekte und Umwelteinflüsse bei der Vorhersage des Manövrierverhaltens seegehender Schiffe (PreMan)

Projektlaufzeit: 1 Oktober 2011 - 30 September 2014

Förderung

Bme

Förderkennzeichen:  03SX324B

Projektpartner

Technische Universität Berlin (https://www.dms.tu-berlin.de)
HSVA - Hamburgische Schiffbau‐Versuchsanstalt GmbH (https://www.hsva.de)

Projektwebseite:

Beteiligte Wissenschaftler

Dr.-Ing. Udo Lantermann
Dipl.-Ing. Jens Höpken
Prof. Dr.-Ing. Bettar Ould el Moctar

Projektbeschreibung

Die Gewährleistung der Manövrierfähigkeit eines Schiffes ist eine Grundvoraussetzung für einen sicheren Schiffsbetrieb. Angesichts des weiterhin zunehmenden Schiffsverkehrs und der nach wie vor wachsenden Schiffsgrößen ist die Notwendigkeit genauer Prognosen der Manövriereigenschaften dringender denn je. Das Verbund-Forschungsvorhaben PREMAN widmete sich der signifikanten Verbesserung von Manövrierprognosemethoden.

Im Teilvorhaben der Universität Duisburg-Essen, MANÖ-DYN, wurde das Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)-Verfahren OpenFOAM zur direkten Berechnung des Manövrierverhaltens von Schiffen verwendet und um neue Funktionalitäten erweitert. Sowohl die Propulsionsorgane und Maschinendynamik, als auch Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel Wind und Strömung, wurden in den Manöversimulationen berücksichtigt.

Um die Einflüsse der Propulsionsorgane auf das Manövrierverhalten von Schiffen mit in die Untersuchungen einzubeziehen, wurden diese modelliert. Die geometrische Modellierung steigert den ohnehin hohen Rechenaufwand um ein Vielfaches. Daher wurden die Propulsionsorgane u.a. durch ein Volumenkraftmodell modelliert, welches auf einem Potenzialverfahren basiert.

In der Realität ist die Propellerbelastung während eines Manövriervorgangs nicht konstant und die Schiffsmaschine reagiert darauf mit einer Drehzahländerung. Um dieses Verhalten in den numerischen Simulationen realitätsnah abzubilden, wurde ein entsprechendes Modell entwickelt und in die Simulation der Manövriervorgänge integriert.

Einen weiteren Schwerpunkt in diesem Vorhaben stellten die Maßstabeffekte dar. Hierzu wurden Großausführungsmessungen und entsprechende Modellversuche durchgeführt. Anhand der gewonnenen Daten wurden die entwickelten numerischen Methoden validiert. Die Messungen an der Großausführung und am Modell wurden jeweils für ein Einschraubenschiff und ein Zweischraubenschiff vorgenommen. Für die Großausführung des Zweischraubenschiffes zeigt Abbildung 1 die Trajektorien sowie die zeitlichen Verläufe der Geschwindigkeit während eines Drehkreismanövers mit einem Ruderwinkel von 35°. Simulations- und Messergebnisse stimmen sehr gut überein.

Beispielergebnisse

Preman 700
Abbildung 1: Simulation und Messwerte des Drehkreises des Zweischraubers in der Großausführung mit einem Ruderwinkel von 35°, Trajektorien (links) und zeitlicher Verlauf der Geschwindigkeit (rechts)

 

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Preman

Animation: 

Direkte Simulation eines Z-10/10-Manövers in regelmäßigen Wellen

Veröffentlichungen

  1. Lantermann, U., Höpken, J., el Moctar, O. (2015)
    “Maßstabseffekte und Umwelteinflüsse bei der Vorhersage des Manövrierverhaltens seegehender Schiffe-PREMAN: Schlussbericht zum Teilvorhaben: Direkte Berechnung des Manövrierverhaltens von Schiffen unter Berücksichtigung der Maschinendynamik-MANÖ-DYN”,
    Universität Duisburg-Essen
  2. el Moctar, O., Lantermann, U., Mucha, P., Höpken, J., Schellin, T. (2014)
    “RANS-Based Simulated Ship Maneuvering  Accounting for Hull-Propulsor-Engine Interaction”,
    J. Ship Technology Research, vol. 61/3,  pp. 142-161, DOI:10.1179/str.2014.61.3.003
  3. Cura-Hochbaum, A., Beutel, J., Koopmann, L., el Moctar, O., Höpken, J., Lantermann, U., Lassen, J.,
    “PREMAN – Maßstabseffekte und Umwelteinflüsse bei der Vorhersage des Manövrierverhaltens seegehender Schiffe“,
    Statustagung Schifffahrt und Meerestechnik, Tagungsband der Statustagung 2014, Schriftenreihe Projektträger Jülich
  4. el Moctar, O., Lantermann, U., Mucha, P., Höpken, J., Schellin, T.E.,
    “RANS-Based Simulated Ship Maneuvering Accouting for Hull-Propulsor-Engine Interaction“,
    Proc. of the 30th Symposium on Naval Hydrodynamics (ONR), Hobart, Tasmania, Australia, 2014
  5. Höpken, J., Lantermann, U., el Moctar, O.,
    “Development of a Body Force Propulsor, based on precalculated Data“,
    Proc. of the 9th OpenFOAM Workshop, Zagreb, Croatia, 2014
  6. Höpken, J., el Moctar, O.,
    “Database Fed Body Force Propulsor“,
    Proc. of the 12th Numerical Towing Tank Symposium (NuTTS), Cortona, Italy, 2012
  7. Höpken, J., Lantermann, U., el Moctar, O.,
    “Development of a Panel Method Based Body Force Propulsor“,
    Proc. of the 7th OpenFOAM Workshop, Darmstadt, Germany, 2012