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AnwenderberichtCFD-Einsatz zur optimalen Bootskonstruktion

Rodrigo Azcueta Valencia (Spanien)

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Anwenderbericht: CFD-Einsatz zur  optimalen Bootskonstruktion
Das Unternehmen Cape Horn Engineering verzichtet auf herkömmliche Schlepptank- und Windkanal-Versuche zugunsten einer CFD-basierten (Computational Fluid Dynamics) Konstruktionsphilosophie, denn der Einsatz der Simulations-Software Star-CCM+ ist günstiger, schneller und zuverlässiger als die herkömmlichen Versuche. Dabei werden sämtliche Simulationen im Originalmaßstab durchgeführt, was den Grundfehler skalierter Versuchsergebnisse vermeidet. Eine verbesserte Strömungsvisualisierung sowie Kräftezerlegung ermöglichen den Konstrukteuren ein weitaus besseres Verständnis für das Strömungsverhalten.

Cape Horn Engineering führt alle hydrodynamischen und aerodynamischen Simulationen getrennt durch. Hydrodynamische Simulationen werden eingesetzt, um die Form des Schiffskörpers, das Schiffsverhalten in den Wellen sowie die Form von Schiffsanhängen und deren Position zu untersuchen. Schon in einer frühen Phase des Konstruktionsprozesses werden aerodynamische Simulationen durchgeführt, um die Segelkräfte zu bestimmen, die wiederum als Eingabedaten für die hydrodynamischen Simulationen verwendet werden. In einer späteren Phase kehren die Berechnungsspezialisten wieder zu den aerodynamischen Simulationen zurück, um die Segelformen zu optimieren und neue Segelkonzepte zu untersuchen.

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Die hydrodynamischen Fälle werden als Schiffsmodelle in Originalgröße einschließlich Rudern, Kielen und zusätzlicher Hubkiele berechnet. Die freie Oberfläche wird unter Verwendung einer Volume-Fraction-Methode (VOF – Volume of Fluid) modelliert, wobei die Simulationen auch dynamisch die Gleichgewichtslage und das Eintauchen berücksichtigen. Dabei bestehen die Berechnungsmodelle aus unstrukturierten Hexaedergittern mit umfassender lokaler Verfeinerung und ungefähr zwei Millionen Zellen. Anhänge werden unabhängig vernetzt, wodurch die Freiheit entsteht, viele verschiedene Anhangformen und -größen zu untersuchen.

Für die aerodynamischen Simulationen wird zunächst die gesamte Geometrie oberhalb des Wasserspiegels einschließlich der Segel, des Masts, des Baums, des Decks und des Schiffskörpers modelliert. Das Rigg besitzt den korrekten Anstellwinkel bezüglich des Windes, wodurch Krängung, Stampfen und Gieren exakt modellierbar sind. Um die Grenzschicht entlang der Wasseroberfläche zu berücksichtigen, wird ein veränderliches Windprofil eingesetzt. Die aerodynamischen Berechnungsmodelle verwenden automatisch erzeugte Polyedergitter mit Prismenschichten, wobei die aerodynamischen Gitter in etwa die gleiche Zellanzahl aufweisen, jedoch mehr Knoten als die hydrodynamischen Gitter haben.

Für die Segelanalysen werden parametrische Modelle und Programme zur Berechnung von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen (FSI – Fluid Structure Interaction) verwendet. Innerhalb dieser parametrischen Modelle dient Star-CCM+ dazu, die optimale Segelform zu ermitteln. Anschließend entwickeln die Konstrukteure ein Segel mit den geeigneten strukturellen Elementen, um diese optimale »fliegende« Form zu erreichen. Parametrische Variationen werden entweder durch Verwendung einer vordefinierten Variationsmatrix durchgeführt oder indem ein Optimierungsalgorithmus in einer iterativen Schleife eingesetzt wird. Bei den FSI-Modellen übergibt Star-CCM+ die Druckkräfte an ein Finite-Elemente-Modell, welches dann die deformierte Form des Segels berechnet. Die neue Segelform wird von den Segelkonstrukteuren angepasst und wieder zurück in die CFD-Simulation gegeben. Dieser Zyklus wird vier bis fünf Mal wiederholt bis Konvergenz erreicht ist.

Sämtliche Simulationen werden parallel auf vier Prozessorkernen gerechnet; mit den 436 Prozessorkernen des Clusters von Cape Horn Engineering können über 100 Fälle gleichzeitig gerechnet werden. Jeder Fall ist Teil einer Matrix bestehend aus festgelegten Segelbedingungen. Im Allgemeinen werden die hydrodynamischen Fälle instationär gerechnet, damit die Wellen der freien Oberfläche sich entwickeln können. Diese Rechnungen brauchen zwischen 12 und 24 Stunden. Andererseits können die meisten der aerodynamischen Fälle als stationäre Simulationen durchgeführt werden, die auch schnell konvergieren, da es bei den Segeln von Hochleistungsrennbooten nur zu geringer Ablösung kommt. Diese Segelfälle benötigen im Allgemeinen nur ein paar Stunden Rechenzeit. Alles zusammengenommen bedeutet dies, dass bei Cape Horn Engineering einige Hundert Simulationen pro Tag durchgeführt werden können. Für Untersuchungen der Schiffskörperform werden die Modelle inklusive aller Anhänge mit einem Referenzsatz von Rudern, Kielen und »Foils« verwendet. Die Position jedes Anhangs wird jedem untersuchten Schiffskörper angepasst, beispielsweise durch leichte Änderung der Winkel der Ruder, damit diese immer senkrecht zur Körperoberfläche jedes Schiffskörpers bleiben.

Ein Satz von Referenzschiffskörpern dient zur Durchführung von Anhanguntersuchungen, um anschließend die Anhangkonzepte, -formen, -positionen und -orientierungen entsprechend zu modifizieren. Jede Variation wird durch einen Vergleich der resultierenden Kräfte (Widerstand, Seitenkraft, Roll- und Giermoment) sowie durch einen Vergleich des Strömungsverhaltens mittels Stromlinien und anderer visueller Verfahren ausgewertet. Die Boote der »Volvo 70 Class « weisen ein neues, sehr komplexes Konstruktionsproblem auf. Im Vergleich zu Yachten des »America’s Cup« sind weitaus mehr Konstruktionsvariablen vorhanden. Die Volvo-70-Boote werden entsprechend eines festgelegten Satzes von Regeln konstruiert und sind Segelbedingungen aus aller Welt ausgesetzt. Die Bootsgeschwindigkeiten reichen von 6 Knoten als Verdränger bis zu 30 Knoten beim Gleiten und Surfen über Wellen. Die Boote haben außerdem Kippkiele (Canting-Keels) sowie Wasserballast, welche die Wasserverdrängung und die Lage des Schwerpunkts drastisch ändern. Alle diese Variablen führen zu sehr großen Versuchsmatrizen. Aufgrund dessen wird hier der CFD-Einsatz sehr attraktiv, da normalerweise jede Variable einfach durch die Änderung einer Zahl angepasst und durch die erneute Durchführung der Simulation geändert werden kann.

Das Schiffskörper-Versuchsprogramm von Cape Horn Engineering ist ziemlich umfangreich. Die »Konstruktionsspirale« beginnt mit der erforderlichen Querstabilität und der Breite der Wasserlinie. Daraus ergeben sich dann genaue Segelkraftkoeffizienten unter Verwendung der aerodynamischen Simulationen. Verschiedene Segelkombinationen werden beim Segeln sowohl gegen als auch mit dem Wind – unter leichten und schweren Bedingungen – getestet. Dieses ist speziell für besonders breite Boote wichtig, da die Segelkräfte einen großen Einfluss auf den Trimm in Längsrichtung haben können, der den Widerstand ändert. Anstatt zu versuchen, einen vorgegebenen Segelsatz auf spezielle Segelbedingungen anzupassen – was schwierig und fehleranfällig ist – finden die Berechungsspezialisten den Segelschwerpunkt und prägen einen Kraftvektor an diesem Punkt im hydrodynamischen Modell auf. Dann läuft die hydrodynamische Simulation so, dass der Widerstand des Bootes mit der durch die Segel erzeugten Kraft übereinstimmt.

Die Untersuchung der Schiffskörperform wird mit Studien zur Volumenverteilung, dem prismatischen Koeffizienten, Heckspiegelbreite und Eintauchung sowie der Fülle des Bugs fortgesetzt. Nachdem die endgültige Schiffskörperform gewählt wurde und die Linien zum Schiffbauer geschickt wurden, wird die Untersuchung mit den Anhängen und Segeln fortgesetzt. Dabei wird die Größe, Form und Position des Kiels analysiert, die Kielbombe und die zusätzlichen Hubkiele. Außerdem erfolgen unter anderem eine Anpassung der Quer- und Längsneigung sowie die Ausrichtung der Kielachse und Neigung der Kielbombe. Ferner werden verschiedene Lösungen und Einzelheiten zur Anbringung der zusätzlichen Hubkiele an den Schiffskörper untersucht, zum Beispiel die Aussparung am Schiffskörper, wo die Kielbefestigung (ein Zylinder) rotiert, sowie die Verkleidung zwischen Schiffskörper und zusätzlichen Hubkielen.

Mögliche Boote durchlaufen dann Rennsimulationen, um zu entscheiden, welche Konstruktion die Beste ist. Dabei erfolgt der VPP-Einsatz (Velocity Prediction Program), um gegensätzliche Beziehungen, zum Beispiel Stabilität gegenüber Widerstand, zu analysieren und einen optimalen Ausgleich zu finden. Das Router-Programm von Cape Horn Engineering simuliert die beste Rennstrecke für jeden Schiffskörper unter Verwendung statistischer Wetterdaten aus allen relevanten Teilen der Welt – dann wird die Zeit für die Bewerkstelligung der Strecke für jeden Schiffskörper verglichen. Auf diese Weise lässt sich der Gesamtsieger eines Rennens hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit ermittelt. Andere Konstruktionsvarianten wie die Position eines zusätzlichen Hubkiels sind umkomplizierter in ihrer Auswertung. Normalerweise ist es ausreichend, die Größe des Widerstands für eine gegebene Seitenkraft zu vergleichen, um daraus Schlussfolgerungen zu ziehen.

In vielen Fällen werden die Konstruktion und die Modifikationen der Anhänge und Segel einem Realitätstest unterzogen, indem sie auf einem Versuchsboot unter realen Segelbedingungen untersucht werden. Während dieser Trainingsperiode auf dem Wasser erhalten die Berechnungsspezialisten wertvolle Rückmeldungen aus der realen Welt, so dass ihre Motivation und Zielführung erhalten bleibt. Schlussendlich werden Simulationen zum Verhalten auf See durchgeführt, um das dynamische Verhalten der endgültigen Schiffskörperkandidaten zu untersuchen. Diese Simulationen stellen sicher, dass die Dinge, die im ruhigen Wasser gut sind, sich in Wellen nicht als nachteilig erweisen. Aufgrund des Zeitaufwands dieser Simulationen werden lediglich gleichförmige Wellen in Betracht gezogen. Um ein vollständiges Seespektrum zu untersuchen, müsste eine statistische Auswertung über einen großen Zeitraum, nämlich eine halbe Stunde, durchgeführt werden. Die Schiffsantwort auf gleichförmige Wellen kann in weniger als einer Minute Simulationszeit erhalten werden. Trotz dieser Einschränkung können die in gleichförmigen Wellen erzielten Informationen beispielhaft für echtes Seeverhalten sein. Im Gegensatz zu einem Schlepptank sind keine weiteren Vereinfachungen notwendig, den bei den Simulationen ist jegliche Wellenrichtung erlaubt, das Boot ist im Originalmaßstab, der Schwerpunkt befindet sich in der richtigen Position und bei den Trägheitsmomenten handelt es sich um die tatsächlichen abgeschätzten Werte. -fr-

www.cape-horn-eng.com http://www.cd-adapco.com

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