CFD, FlettnerFLEET und MS „Annika Braren“
Aerodynamische Untersuchungen von Überwasserschiffen finden an der HSVA grundsätzlich numerisch statt. Üblicherweise werden entweder rein statistische Ansätze (engl. Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes, URANS) oder aber hybride, statistische und teilweise skalenauflösende (engl. RANS, Large-Eddy Simulation, RANS-LES) Modellierungen zur Simulation der turbulenten Luftströmung verwendet. Besonders der hybride Ansatz besitzt eine qualitativ sowie quantitativ herausragende Vorhersagequalität, jedoch resultieren die hierfür notwendigen, feinen diskreten Beschreibungen in Raum (i.e., Rechengitter) und Zeit (i.e., Zeitschritte) kombiniert mit vergleichsweise langen Konvergenzzeiten in hohen Simulationsaufwänden, welche in einer anfänglichen Entwurfsphase unverhältnismäßig erscheinen.
Ein übergeordnetes Ziel der Arbeiten an der HSVA adressiert daher die Entwicklung eines deutlich weniger aufwendigeren Simulationsverfahrens, welches Ideen des hydrodynamischen Entwurfs (zuerst reibungsfreie Wellenwiderstandsanalyse, anschließend (U)RANS) auf die aerodynamische Auslegung überträgt. Zu diesem Zweck wird ein reibungsfreies, sog. Eulersches Simulationsverfahren entwickelt, welches prozedural große Ähnlichkeiten mit typischen RANS Simulationen an der HSVA aufweist, jedoch auf Grund der vorliegenden, verhältnismäßig großen Reynolds-Zahlen bei gleichzeitiger Betrachtung von Auftriebs Effekten adäquate Ergebnisse liefern sollte. Das Umschalten von Wänden mit Haftbedingung auf Schlupf-Wände erlaubt beispielsweise die Vernachlässigung von Grenzschichtgitterverfeinerungen und resultiert in einer enormen Verkleinerung der zur Berechnung notwendigen Rechengitter. Jedoch erschwert die fehlende Haftbedingung nun das Aufprägen der durch Flettnerrotoren induzierten Fluidrotation. Aus diesem Grund wurde ein spezielles Volumenkraftmodell entwickelt, welches die zunächst unbekannte Volumenkraft im Gebiet über der Rotorwand iterativ mit Hilfe einer Kontrollschleife so einstellt, dass sich schlussendlich die Zirkulationsverteilung einer vorgegebenen Rotordrehzahl ergibt.
Zusammen mit dem aufwendigeren hybriden RANS-LES Verfahren wurde die „Annika Braren“ aerodynamisch untersucht. Neben der Validierung des neu entwickelten, aufwandsärmeren Simulationsverfahrens zielten die Untersuchungen auf eine Unterstützung der Installation eines LIDAR Systems durch den Projektpartner IWES ab. Auf Basis von vorhandenen Betriebsdaten wurde ein geeigneter, repräsentativer Betriebspunkt (Fahrtgeschwindigkeit, Tiefgang, Windgeschwindigkeit, Rotordrehzahl, etc.) ermittelt, für den anschließend Simulationen sechs wahrer Windwinkel (0, 15, 45, 90, 135, 180 Grad) durchgeführt wurden. Zeitlich gemittelte Simulationsergebnisse der skalenauflösenden RANS-LES Simulationen wurden dem IWES im Virtual Toolkit (VTU) Format zur Analyse und LIDAR Installationsunterstützung zu Verfügung gestellt, vgl. folgende Abbildung.
Abbildung: Druckbeiwert und Stromlinienverläufe bei steuerbordseitigem Wind und aktivem Rotor für eine vereinfachte Überwassergeometrie der Annika Braren.
