Performance Monitoring wird zunehmend zur Bewertung der Energieeffizienz von Schiffen eingesetzt, wobei CFD (Computational Fluid Dynamics) hierbei eine Schlüsselrolle spielt – mit Möglichkeiten und Grenzen
Für Performance-Monitoring-Anwendungen interessiert in erster Linie die ideale Leistung (= für glatten Rumpf) als Funktion von Tiefgan[ds_preview]g, Trimm und Geschwindigkeit. Bei Parametervariationen wie Trimm, Tiefgang und Geschwindigkeit ist CFD Modellversuchen überlegen, da die Simulationen leicht parallelisiert und automatisiert werden können. Bei den Simulationen sind einige Punkte zu beachten, die im Folgenden kurz aufgeführt sind.
Im Entwurf wird der Wellenwiderstand generell für Entwurfsbedingungen – voll abgeladen und Entwurfsgeschwindigkeit – minimiert. Aber im Performance Monitoring tauchen im wesentlichen »Off-Design«-Bedingungen auf, mit Zwischentiefgängen und niedrigeren Geschwindigkeiten. Bei diesen Bedingungen kommt es häufig zu brechenden Wellen am Vorschiff. Die CFD-Methode muss dies abbilden können und sollte idealerweise dann auch für Großausführungsbedingungen rechnen.
Der Propeller wird meist nicht direkt modelliert, sondern nur in seiner Wirkung über sogenannte »body forces« erfasst. Für Performane Monitoring ist dieser Ansatz absolut akzeptabel.
Die Rauigkeit von Oberflächen kann als Parameter in CFD-Berechnungen variiert werden. Auch wenn keine absolute Genauigkeit in diesem Ansatzes erreicht werden kann, liefern derartige Variationen wertvolle Einblicke in ortsabhängigen Effekte von Fouling. Turbulenzmodellierung scheint inzwischen ausgereift zu sein, zumindest für Ansprüche im Performance Monitoring.
»Wie genau ist die CFD Rechnung?« Diese Frage wird immer wieder gestellt. Probefahrten von Schwesterschiffen zeigen Abweichungen von 5–6% in gemessener Leistung bei Entwurfsgeschwindigkeit. Weder CFD-Vorhersagen noch Modellversuche können genauer sein als diese Variationen. Stattdessen sollten Vorhersagen nach den Probefahrten an den gemessenen Daten geeicht werden.
Für die Berechnung des Zusatzwiderstands in Wellen, der zur Kompensation bei höherem Seegang benötigt wird, sieht es eher düster aus. Bei kurzen Wellen versagen praktisch alle Ansätze, den Zusatzwiderstand auch nur annähernd richtig vorherzusagen. Und selbst bei den besten verfügbaren Werkzeugen macht es wenig Sinn, den erforderlichen Aufwand zu betreiben, solange wir nur grobe Schätzungen für den Seegang verwenden. Da bleibt nur, Datensätze für höheren Seegang herauszufiltern.
Für Ruder- und Manövrierkräfte spielt CFD in der Performance Monitoring Praxis keine Rolle. Falls diese Kräfte überhaupt erfasst werden, reichen einfache semi-empirische Abschätzungen.
Beim Zusatzwiderstand durch Wind hat sich CFD als gleichwertige Alternative zu Windtunneln entwickelt. Für größere Parameterstudien die zum Beispiel Windrichtung und Tiefgang variieren, wäre CFD wieder aufgrund der leichten Parallelisierung die bevorzugte Wahl. Solche Parametervariationen könnten zu genaueren Windkraftmodellen im Performance Monitoring führen. CFD könnte auch eingesetzt werden, um die lokalen Strömungsverhältnisse am Anemometer zu bestimmen, um jetzige Verfälschungen der Messungen zu kompensieren. Der erforderliche Aufwand ist jedoch für die Praxis immer noch zu hoch für derartige Anwendungen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CFD zu einer praktikablen und manchmal überlegenen Alternative zu Modellversuchen herangereift ist. Dies wird im Performance Monitoring von Schiffen vielfach genutzt.
Dieser Artikel ist eine Zusammenfassung eines Beitrags von der Konferenz HullPIC 2020 (www.hullpic.info)
Autor: Volker Bertram, DNV GL
