Widerstandsberechnung für Heavy-Lift-Einsätze

Der Twin Marine Lifter ermöglicht es, Plattformen am Einsatzort auf ein größeres

und einwirkende Kräfte ermittelt werden.
Der Transport von Plattformen für Demontage und Recycling von einem Off­shore- zu einem Onshore-Standort ist eine kostengünstigere und[ds_preview] umweltfreundlichere Option als deren Zerstörung bzw. Rückbau auf See. Deshalb hat das Inge­nieurbüro Twin Marine Heavylift aus Stavanger ein System konzipiert, mit dem dies durch den Einsatz des Twin Marine Lifters (TML) erreicht wird. Das System verfügt an einer Seite des Schiffs über Trimmtanks, mit denen die Plattform durch teilweise Übernahme der Last gehoben wird. Das zum Einsatz vorgesehene Schiff ist 133 m lang und 40 m breit, sein Fahrttiefgang beträgt 5,35 m. Die Trimmtanks sind relativ groß, ihr Rechteckquerschnitt beläuft sich auf 10 mal 12 m, und ihr Tiefgang auf Fahrt beträgt 8,9 m.

Selbstverständlich werden Widerstand und Kursstabilität durch stumpfe Körper an der Schiffsseite stark beeinflusst. Wirbel­ablösungen stellen für die Strömungsanalyse mit Sicherheit ein Problem dar. Ein weiteres zu bewältigendes Problem besteht in der Wechselwirkung zwischen Trimmtanks und Rumpf. Im vorliegenden Fall wurde Det Norske Veritas mit der Bewertung des Viskositätswiderstands in ruhigem Wasser, der auf die Trimmtanks einwirkenden Kräfte sowie der Kursstabilität beauftragt.

Simulationen mittels CFD

Die Simulationen wurden mit der Software STAR-CCM+ durchgeführt. Zur Überprüfung des Einflusses der Gitterfeinheit auf die Ergebnisse wurden zwei Gitter mit jeweils rund 4 und 5 Mio. Zellen verwendet. Es kamen getrimmte Zellen mit Prismenschichten um Rumpf und Tanks und mit zunehmender Verfeinerung in deren Nahbereich zum Einsatz. Die dabei vorgegebene Schiffsbewegung verlief frontal und ohne Anstellwinkel zur Strömung. Die Simulationen wurden für Geschwindigkeiten von 3, 5, 7 und 10 kn durchgeführt. Für die Simulationen bei 3 und 5 kn wurde die freie Wasseroberfläche nicht berücksichtigt. Schiff und Tanks durften weder sinken noch trimmen, es wurde davon ausgegangen, dass das Schiff sich in der Gleichgewichtslage befand.

Ergebnisse

Aufgrund der Tanks ist es schwierig, die Ergebnisse im Verhältnis zu den klassischen Vorhersagen für den Rumpf zu bewerten. Es wurde entschieden, die Methode durch Simulation des bloßen Rumpfs ohne Tanks und ohne die Wirkungen einer freien Wasseroberfläche zu überprüfen. Daher beziehen sich die Ergebnisse lediglich auf den Viskositätswiderstand und können damit mit der Formel ITTC ’57 verglichen werden. Da sich die Formel ITTC ’57 auf eine flache Platte bezieht, muss auch in diesem Fall ein Formkoeffizient angewandt werden. Der Wert des Formkoeffizienten wurde zur perfekten Abstimmung mit den Ergebnissen auf 0,35 geschätzt. In Anbetracht der Tatsache, dass ein typischer Wert für einen Very Large Crude Carrier (VLCC) bei etwa 0,25 liegt und dass der VLCC-Rumpf in unserem Fall schlanker und stromlinienförmiger als der Durchschnitt ist, erscheint der Wert von 0,35 als realistisch. Die Ergebnisse zeigten starke Wirbel­ablösungen aufgrund der Tanks und deren Wechselwirkung mit der Strömung. Als Resultat hieraus zeigen die einzelnen und gesamten Widerstandskomponenten in der Zeit ein sehr unregelmäßiges Muster. Die Sprünge in den Kurven sind auf die Gitteränderung zurückzuführen.

Das interessanteste Merkmal besteht darin, dass (der vorderste) Tank 1 mit ca. 66 % des Gesamtwiderstands den größten Widerstand zeigt. Gleichfalls beachtenswert ist, dass der sich direkt hinter Tank 1 befindende Tank 2 einen positiven Widerstandswert zeigt, d.h. er wird im Kielwasser von Tank 1 vorwärts gezogen. Tank 3 fällt, auch wenn sein Wert niedrig ist, auf das erwartete Vorzeichen des Widerstands zurück, während der Widerstand von Tank 4 größer ist. Die zeitlich gemittelten, stabilisierten Werte des jeweiligen und gesamten Widerstands zeigen eine relativ regelmäßige Erhöhung mit zunehmender Geschwindig­keit und bestätigen die Beobachtung, dass Tank 1 am meisten zum Gesamtwiderstand beiträgt und Tank 2 von Tank 1 vorwärts gezogen wird. Das Rotationsmoment ist relativ groß und steigt mit der Geschwindigkeit deutlich an. Eine schnelle Berechnung zeigt, dass das Schiff bei einer Geschwindigkeit von 7 kn mit einem Anstellwinkel von etwa 9° auf Fahrt sein sollte. Es wären etwa 12 % des installierten Schubs erforderlich, um das Schiff auf geradem Kurs zu halten. In Anbetracht der schnellen und unregelmäßigen Schwingungen des vertikalen Rotationsmoments ist es unerlässlich, einen dynami­schen Kurs zu halten.

Dieser Fall macht deutlich, dass CFD für die Bewältigung komplexer Phänomene in angemessener Zeit verwendet werden kann und nützliche Ergebnisse liefert. Die Ergebnisse zeigen für die Strömung um die Rumpftanks ein periodisches Muster. Die Strömung wird von einer Wirbelerzeugung aufgrund der Tanks dominiert und dies beeinflusst den Widerstandswert der einzelnen Tanks und des Schiffs.