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Einsatz numerischer Methoden für die FachaufgabeSchiff – Wasserstraße (genauer: Seeschiff – Seeschifffahrtsstraße)
Es gilt das gesprochene Wort.
Seite 2Einsatz num.Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Wasserbau · Referat K2 · Marko Kastens · 19. September 2013
Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Übersicht: Methoden der Fachaufgabe WSS (Wechselwirkung Seeschiff – Seeschifffahrtsstraße)
Seite 2Fachaufgabe WSS – Schwerpunkte und Methoden
Wasserbau · Referat K2 · Dr.-Ing. K. Uliczka · September 2011
WSS
Naturmessungen : Schiffsdynamik, Belastung …
UnTrim: Tide- & StoffdynamikUnTrim: Wellenausbreitung
Schiffsführungssimulation: Sicherheit und Leichtigkeit
Hydraulische Modelle: Kräfte, Dynamik …
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Wasserbau · Referat K2 · Marko Kastens · 19. September 2013
Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Übersicht: Methoden der Fachaufgabe WSS (Wechselwirkung Seeschiff – Seeschifffahrtsstraße)
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Wasserbau · Referat K2 · Dr.-Ing. K. Uliczka · September 2011
WSS
Naturmessungen : Schiffsdynamik, Belastung …
UnTrim: Tide- & StoffdynamikUnTrim: Wellenausbreitung
CFD: SchiffshydrodynamikSchiffsführungssimulation: Sicherheit und Leichtigkeit
UnTrim2-Ship (USS): Wasserstand & Strömung
Hydraulische Modelle: Kräfte, Dynamik …
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Wasserbau · Referat K2 · Marko Kastens · 19. September 2013
Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Sichtweise:
Schiffshydrodynamik � Schiff
Squat βTrimm
Sichtweise:
Ästuardynamik � Wasserstraße
Schiffshydrodynamik
Ziel:
Berechnung von Squat und Trimm
Ästuardynamik
Ziel:
Wirkung des Schiffsverkehrs auf Wasserstand und Strömung
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Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Motivation:
Soft- und Hardware sind heute auf einem technischen Stand, so dass die BAW-typische Schiffshydrodynamik am Computer in erträglichen Zeiten (Tage) simuliert werden kann.
Vision:
Anfragen zur Schiffsdynamik werden zukünftig zweigleisig bearbeitet: zum einen der Modellversuch (klassisch) und zusätzlich Simulationen im Computer zur Unterstützung und Lückenfüllung einer Versuchsmatrix.
Messungen bilden nach wie vor das Rückgrat zu den Aussagen !!!
Meilensteine des F&E Projektes:
• Start vor ca. 3 Jahren
• Zäsur vor einem Jahr � Optimierung der Parallelisierung � jetzt arbeitsfähig
Schiffshydrodynamik
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Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
• Kommerzielles Softwareprodukt (mit Support)
• Grundlage: RANSE (mit SIMPLE)
• 3 dimensional
• Mehrphasenmodell (Luft + Wasser)
• VOF (Wellen)
• Instationär, implizit
• K-Epsilon Turbulenzmodell-Familie (Realizable K-e-Modell mit 2 Layer Ansatz nach Wolfstein)
Kräfte auf das Schiff (DFBI):
• Gravitation
• Druck- und Scherkräfte
� Bewegung des Netzes (Morphing)
Schiffshydrodynamik – Beschreibung des mathematischen Modells
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Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Besonderheiten des Versuchsaufbaus/Modells:• sehr geringe Kielfreiheit (h/T=18m/16m=1.125)
• enge Querschnitte
• Bewegung des Schiffes
• Bewegung des Schiffes bis zum Aufsetzen � Volumen werden fast Null
• Anströmung (Bewegung des Wassers, nicht des Schiffs)
Schiffshydrodynamik – Besonderheiten (Versuchsaufbau/Modell)
Querschnitt (orientiert an Messungen):
reale Maße: schwarzMaßstab 1:40: rotn = 10 (n=A/As)
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Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
• Schiffshülle � fehlerfrei und dicht
• eindeutige Orientierung
• keine Einstülpungen (richtige Mannigfaltigkeit)
• keine Löcher
• � Reparatur der Hülle (sehr zeitaufwendig; 3D-CAD Verfahren)
• Simulationsgebiet festlegen
• physikalische Rahmenbedingungen
• numerische Rahmenbedingungen
• Erfahrungswissen
• Modellphysik mit Randwerten
• Modelldiskretisierung
• Volumennetz besteht aus prismatischen Schichtenund Tetra-, Hexa- oder Polyeder
• � Zellen: 1.5 – 12 Mio.
• Ressourcen
• Simulationsdauer: 700s � 20 – 100h
• Computerressourcen: 32/64 CPUs
Schiffshydrodynamik - Modellaufbau
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Schiffshydrodynamik - Versuchsablauf
Verformung des Netzes
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Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Schiffshydrodynamik - Versuchsablauf
Wasserspiegelauslenkung (40 fach überhöht)
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Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Schiffshydrodynamik - Ergebnisse
Squatv = 0.6 0.8 1.0 1.1 1.15 1.175 1.2 m/s
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Schiffshydrodynamik - Ergebnisse
Trimmv = 0.6 0.8 1.0 1.1 1.15 1.175 1.2 m/s
Hinweis: 0.13 Grad � ~ 1cm Squat (9m Schiff im Modell 1:40)
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Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
• Stabilität? – gegeben, wenn der Kiel nicht zu nah am Boden ist
• Konvergenz? – das Modell konvergiert zu einer Lösung (geringe Oszillationen)
• Reproduzierbarkeit? – die Modellergebnisse sind reproduzierbar [Maschine, 32/64 Bit ]
• Sensitivitäten (zu diesem Modell, nicht allgemein):
• Anströmgeschwindigkeit (++)
• Art der Randbedingung (++) [SLIP oder NoSLIP]
• Anfangsbedingung (++/o) [Lage des Schiffs; evtl. bereits Ausgangslage]
• Modellgebiet (o) [jetzige Dimensionen mit Bank � sonst Windeinfluss]
• Diskretisierung (o) [bei Bug/Heck/Kiel 2.5cm / Wasseroberfläche(Z) 2.5cm / Wasser 20cm]
• Zeitliche Auflösung (o) [bei Zeitschrittweite < 0.2 s]
• Wind (o) [Windgeschwindigkeit = Wassergeschwindigkeit oder 0 m/s]
• Turbulenzmodell (?)
Schiffshydrodynamik – Einschätzung des Verfahrens
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Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Vergleich mit Messungen aus dem hydraulischen Modell
Schiffshydrodynamik – Validität
7.4 8.6 9.8 11.1 12.3 13.5 14.8 16.0
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
2.4
0
10
20
30
40
50
60
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3
Geschwindigkeit (real) [kn]
Sq
uat
(re
al)
[m
]
Sq
uat
(M
od
ell)
[m
m]
Geschwindigkeit (Modell) [m/s]
Querschnittsverhältnis 1:10
Messung Bug Modell [mm]
Messung Heck Modell[mm]
Generation13 [mm]
G13 Bug [mm]
G13 Heck [mm]
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Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Problem: das Anströmen des Schiffs
• � neue Technologie: Overset (Bewegung eines Netzes in einem anderen Netz)
• wird mit jeder neuen Version stabiler (Anfangs viele Kinderkrankheiten)
• Wird genutzt in den WSV-Projekten: Begegnung und Trossenkräfte
Schiffshydrodynamik – Ausblick
ca. 11 Tage
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Übersicht: Methoden der Fachaufgabe WSS (Wechselwirkung Seeschiff – Seeschifffahrtsstraße)
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WSS
Naturmessungen : Schiffsdynamik, Belastung …
UnTrim: Tide- & StoffdynamikUnTrim: Wellenausbreitung
CFD: SchiffshydrodynamikSchiffsführungssimulation: Sicherheit und Leichtigkeit
UnTrim2-Ship (USS): Wasserstand & Strömung
Hydraulische Modelle: Kräfte, Dynamik …
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Einsatz numerischer Methoden für die Fachaufgabe Schiff – Wasserstraße
Hat ein Schiff Einfluss auf die Ästuardynamik?In 2012 haben 2859 PPM-Schiffe (Breite > 32m) Wedel nach/von Hamburg passiert.
Hat die Strömungsänderung durch Schiffe einen nachhaltigen Einfluss?
Meilensteine des FuE-Projektes:• Erweiterung von UnTRIM² � neue Randbedingung (Decke) [Prof. Casulli*, Uni. Trient]
• Implementierung der neuen Version in das BAW-Framework (April 2013)
• Aufbau eines neuen Interfaces “IO_Ship”
• Erste Tests ab April/Mai 2013
* Casulli,V. & Zanolli,P. (2012): Iterative solutions of mildly nonlinear systems, Journal of Computational and Applied Mathematics, Volume 236, Issue 16, Pages 3937-3947, 10.1016/j.cam.2012.02.042.
Ästuardynamik - Kernfragen
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Ästuardynamik - Modellaufbau
14.5
m
60.5 m
Zufluß:2.856 m³/s �0.6 m/s
Randbedingung: konstanter Wasserstand mit 0 m
Berechnungsnetz:dx = dy = 0.5 m � 3509 Elemente
Subgrid:dxSG = dySG = 0.1 m � 87725 Elemente
„Schiff“ bei 30 m: Breite: 1.375 mLänge: 9.39 mTiefgang: 0.2 m
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Ästuardynamik – Bernoulli-Prinzip - Wasserstand
ohne Schiff/Hindernismit Schiff/Hindernis
Unter dem „Schiff“ entspricht der Wasserstand einem Druck
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Ästuardynamik – Bernoulli-Prinzip – Strömungsgeschwindigkeit
ohne Schiff/Hindernismit Schiff/Hindernis
Energieerhaltung ok
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Ästuardynamik – Ausblick
� weitere Tests: Wellenmuster, 3D, nicht-hydrostatisch, …� Validierung� Implementierung von komplexen Geometrien� Bewegung