Hydro-elastische Simulation der Akustik von Schiff-Propeller-Konfigurationen mit und ohne Kavitation
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Mechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projekts war die Entwicklung einer numerischen Methodik, um die Lärmemissionen eines Propellers zu analysieren und in einem zweiten Schritt für einen flexiblen Propeller auch unter Berücksichtigung der Kavitation zu optimieren. Im ersten Teil des Projekts wurde ein numerischer Ansatz entwickelt, mit dem die Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) eines Schiffpropellers mit der Randelementemethode panMARE für die Simulation des hydrodynamischen Teils verwendet wurde. Die Flexibilität der Propellerblätter wurde berücksichtigt, indem die Deformationsgeschwindigkeit in der Neumann-Randbedingung bei der Berechnung der Quellstärke mit einfließt. Die Lösung der Fluidströmung mit der Randelementemethode ermöglicht nicht nur die Berechnung der Geschwindigkeiten im Fluid, sondern auch mithilfe des hydrodynamischen Drucks die Berechnung der Oberflächenspannungen, welche für den Strukturlöser bereitgestellt werden. Weiterhin wurde ein partiell nichtlineares Modell für die Berücksichtigung der Kavitation in den partitionierten Ansatz integriert. Die dynamischen und kinematischen Randbedingungen, welche auch die Bewegungen durch die Flexibilität des Materials bei den FSI-Simulationen berücksichtigen, werden in diesem Zusammenhang in einem iterativen Prozess gelöst. Zur Auswertung der akustischen Signatur wurde ein Modell, das auf der Ffowcs Williams-Hawkings-Gleichung (FWHE) basiert, in den hydrodynamischen Löser panMARE implementiert. Hierbei wird der akustische Gesamtdruck aus einem Term, der die Verdrängungswirkung des Körpers beschreibt und in dem auch der Einfluss der Kavitation enthalten ist, und einem Term, der die Auftriebswirkung berücksichtigt, beschrieben. Beide Terme sind Funktionen, deren Eingangswerte allein auf der Körperoberfläche ermittelt werden müssen, was bei einer Randelementemethode sehr vorteilhaft ist. Das entwickelte Modell berücksichtigt Reflexionen am Grund oder auch an der Wasseroberfläche. Außerdem ermöglicht das Modell die Auswertung der Akustik als Postprocessing im Anschluss an die hydrodynamischen Simulation, ohne im Vorwege die Auswertepositionen festzulegen. Der entwickelte FSI-Ansatz und das akustische Modell wurden mithilfe von Simulationen des SVA-P1356 Propellers validiert. Hierbei wurde der Propeller in homogener und inhomogener Anströmung und unter Berücksichtigung der Blattflexibilität und Kavitation simuliert. Die Ergebnisse zeigten ein physikalisch konsistentes Verhalten hinsichtlich des Einflusses der Blattverformung auf die Perfomance des Propellers, der Neigung zu kavitieren und der akustischen Signatur. Eine erfolgreiche Validierung der FSI-Simulation wurde am Beispiel eines mehrschichtigen Tauchrührwerkes durchgeführt, basierend auf dem Vergleich von Schub- und Drehmomentskoeffizienten und lokalen Dehnungen. Weiterhin wurde das Freiwasserverhalten eines Schiffspropellers für zwei verschiedene Rotationsgeschwindigkeiten anhand eines Vergleichs mit einem flexiblen und einem starren Propeller validiert. Die Simulationen zeigen, dass der Schub und das Drehmoment des flexiblen Propellers im Vergleich zu einem starren Propeller für niedrige Fortschrittsgrade gestiegen und für hohe Fortschrittsgrade gesunken sind. Aus dem Vergleich der Simulationsergebnisse mit dem Experiment ist zu entnehmen, dass die Abweichungen von Schub und Drehmoment, welche durch die Deformationen verursacht werden, mit den FSI-Simulationen basierend auf dem partitionierten Ansatz gut erfasst werden können. Ein mehrstufiger Optimierungsprozess wurde für den KCS-Propeller durchgeführt. Im ersten Schritt wurde die starre Propellergeometrie unter realistischer Hinterschiffsanströmung innerhalb einer zweistufigen Optimierung nach hydrodynamischen Gesichtspunkten verbessert. Ziele der Optimierung waren die Reduzierung der Schubvariation, der Kavitation und deren Variation über einen Propellerumlauf, eine möglichst hohe Effizienz, sowie der Einhaltung des Propellerschubes. Basierend auf dem aus der Optimierung resultierenden Propeller wurde eine weitere Optimierung durchgeführt. Diese hatte das Ziel, eine optimale Veränderung der lokalen Blattsteigung über einen Propellerumlauf im Schiffsnachstrom zu ermitteln, um das Kavitationsvolumen und die Schubschwankungen weiter zu verringern. Außerdem wurde der starre, optimierte Propeller als Basis für die Optimierung eines flexiblen anisotropen Propellers verwendet. Hierbei wurde ein Strukturmodell des Propellers basierend auf einem mehrschichtigen kohlenstofffaserverstärkten Polymer entwickelt. In diesem Modell wurden die Faserorientierung und die Steifigkeit der Struktur in Kombination mit dem lokalen Steigungswinkel des Propellerblatts optimiert. Eine besondere Herausforderung war das Auftreten von singulären Paneelen in der hydrodynamischen Lösung, die aufgrund der Verzerrung der Paneele durch starke Deformation der Struktur hervortraten. Dieses Problem tritt nicht auf, wenn der vollständig gekoppelte FSI-Ansatz für die Optimierung verwendet wird. Daher wurde der voll gekoppelte FSI-Ansatz als Basis für die Optimierung verwendet. Die Dauer der Optimierung wurde mithilfe von fortgeschrittenen Methoden zur Konvergenzbeschleunigung reduziert. Es wurde erfolgreich eine Optimierung für den flexiblen Propellerflügel durchgeführt. Der flexible Flügel, der aus der Optimierung resultierte, zeigte innerhalb der voll gekoppelten FSI-Simulation eine signifikante Reduzierung der Schubvariation und eine Verbesserung der Effizienz von bis zu 2% im Vergleich zu dem starren Propeller. Die Ergebnisse der FSI-Simulation unter Verwendung des nicht-linearen Kavitationsmodells bestätigten die Annahmen der Optimierung, dass die Kavitation des optimierten flexiblen Propellers im Vergleich zum Referenzpropeller deutlich reduziert werden kann. Des Weiteren ergab die Auswertung der akustischen Charakteristik, dass der Geräuschpegel des optimierten und flexiblen Propellers im Vergleich zum Referenzpropeller reduziert wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- ”Partitionierte Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion von elastischen Schiffspropellern”. In: Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft 111 (2017), pp. 58–65
T. Lampe, L. Radtke, A. Düster, and M. Abdel-Maksoud
- ”A partitioned solution approach for the simulation of the dynamic behaviour of flexible marine propellers”. In: Ship Technology Research 67.1 (2018), pp. 37-50
L. Radtke, T. Lampe, M. Abdel-Maksoud, and A. Düster
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/09377255.2018.1542782) - ”Partitioned simulation of the fluid-structure interaction of flexible marine propellers in unsteady flow conditions”. In: Proceeding in Applied Mathematics and Mechanics 18.1, e201800471, 2018
T. Lampe, L. Radtke, M. Abdel-Maksoud, and A. Düster
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pamm.201800471) - ”Evaluation of performance and acoustic signature of flexible marine propellers under consideration of fluid-structure interaction by means of partitioned simulation”. In: Proceedings of the 6th International Symposium on Marine Propulsors, 2019
T. Lampe, L. Radtke, U. Göttsche, A. Düster, and M. Abdel-Maksoud
- ”A partitioned solution approach for the simulation of dynamic behaviour and acoustic signature of flexible cavitating marine propellers”. In: Ocean Engineering 197 (2020), p. 106854
T. Lampe, L. Radtke, M. Abdel-Maksoud, and A. Düster
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.106854) - ”Partitioned simulation of the acoustic behavior of flexible marine propellers using finite and boundary elements.” In: Proceeding in Applied Mathematics and Mechanics 20.1, e202000315, 2020
L. Radtke, T. Lampe, M. Abdel-Maksoud, and A. Düster
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pamm.202000315) - ”Optimally Blended Spectral Elements in Structural Dynamics: Selective Integration and Mesh Distortion”, In: International Journal of Computational Methods 18.10 (2021), 2150042
L. Radtke, D. Müller, A. Düster
(Siehe online unter https://doi.org/10.1142/S0219876221500420) - ”A two-stage optimization approach for propellers with unconventional blade shape in a wake field using BEM”, In: Proceedings of the Seventh International Symposium on Marine Propulsors, 2022
J. C. Neitzel-Petersen, D. Ferreira González, Roland Gosda, M. Abdel-Maksoud
- ”Advanced Methods for Partitioned Fluid-Structure Interaction Simulations applied to Ship Propellers”, In: Proceedings of the ASME 2022 41st International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Volume 7: CFD and FSI, 2022
J. Lund, D. Ferreira González, L. Radtke, M. Abdel-Maksoud, A. Düster
(Siehe online unter https://doi.org/10.1115/OMAE2022-80507) - ”Validation of a Partitioned Fluid-Structure Interaction Simulation for Turbo Machine Rotors”, In: Ships and Offshore Structures, (2022)
J. Lund, D. Ferreira González, J. C. Neitzel-Petersen, L. Radtke, M. Abdel-Maksoud, A. Düster
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/17445302.2022.2069389)
