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Anwendung von CFD-Verfahren zur Analyse von Propellerentwürfenim Hinblick auf verkehrswasserbauliche FragestellungenProf. Dr.-Ing. M. Abdel-Maksoud, Dipl.-Ing. S.-B. Müller, cand.arch.nav. M. Gutsch

1BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007

Anwendung von CFD-Verfahren zur Analyse von Propellerentwürfen im Hinblick auf

verkehrswasserbauliche Fragestellungen

M. Abdel-Maksoud, S.-B. Müller, M. Gutsch

BAW- Kolloquium: Mehrdimensionale hydronumerischeModellierung von Wasserbauwerken

Karlsruhe - 26. April 2007

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Übersicht• Problemstellung

• Propellerentwurf– Geometriebeschreibung– Entwurfablauf– Numerische Verfahren (Potentialtheorie / viskose Berechnung )– Optimierungstechnik

• Untersuchungen– Einfluss der Propellergeometrie (Propeller / Düsenpropeller) auf die

Strömungsverhältnisse

• Untersuchungen – Laufende Arbeiten– Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse– Potentialtheoretische Untersuchung von Propulsionsorganen



Problemstellung• Zunahme des Warentransports

- Wirtschaftlichkeit von Schiffen wächst mit Zunahme der Größe und Geschwindigkeit

• Erhöhung des Schubbedarfs

-> Zunahme der Strömungsgeschwindigkeiten im Propellerstrahl hinter dem Schiff

• Resultierende verkehrswasserbauliche Fragestellungen

- Einwirkungen auf die Wasserstraße

• Erosion an der Gewässersohle und Böschung

- Belastung der Flora und Fauna

• Einfluss auf die Fischbestände insbesondere Jungfische• Beeinträchtigung der Pflanzenwelt bzw. –vielfalt

Analyse der Propulsionsorgane zur Minimierung des Einflusses auf die Wasserstraße sowie der Aufrechterhaltung des biologischen Gleichgewichts



Propellerentwurf• Geometriebeschreibung

Variationsparameter: Steigung – Rücklage - Hang Sehnenlänge - Dickenverteilung - WölbungDurchmesser



Propellerentwurf• Entwurfablauf



Propellerentwurf• Numerische Verfahren – Potentialtheorie

- Annahmen in der Potentialtheorie:

• reibungsfrei

• inkompressibel

• Rotationsfrei

- Massenerhaltung:

- Umsetzung in der Praxis:

Quellen Dipole

0)()()()()( 2

2

2

2

2

22 =

∂Φ∂

+∂Φ∂

+∂Φ∂

=Φ∇=∇z

py

px

pppVrrr

rrr

∞⋅−==Φ ∫ VndArA

rrσπσ ,14 ∫=Φ

A

dArz34π

μ



Propellerentwurf• Numerische Verfahren – Potentialtheorie

- Randbedingung auf der Körperoberfläche:

• Bestimmung der Quellstärken, so dass die Randbedingung auf allen Paneelen der Körperoberfläche eingehalten wird

• Lineares Gleichungssystem zur Bestimmung der Quellstärken

- Bestimmung der Geschwindigkeitenim Strömungsfeld:

- Ermittlung der Drücke mittels Bernoulli-Gleichung:

- Berücksichtigung der Reibung:

• Reibungsansatz nach Prandtl und von Kármán

0)( 1332211 =⋅++ nVVV rrrrσσσ

0)( =⋅npV rrr

)()()()( 332211 xVxVxVxV rrrrrrrrσσσ ++=

( )22 vvp −2

= ∞ρ



Propellerentwurf• Numerische Verfahren – Viskose Berechnung

- Lösung der Impuls- und Massenerhaltungsgleichung

- Turbulenzmodell (k-ε, k-ω, SST)- Volumennetz mit Hexaedern

- zeitintensive Berechnung

- detaillierte Auswertung der Berechnung



Propellerentwurf• Mögliche Evolutionsstrategie

1. Zunächst „XX“ stochastisch erzeugte Propellergeometrien2. Auswahl der „YY“ besten Propeller3. Rekombination / Mutation der „YY“ besten Propeller zu „ZZ“ neuen

Nachkommen

• Mögliche Zielfunktionskriterien- Erhöhung des Wirkungsgrades

- Erreichen des Sollschubes mit max. zulässiger Schubdifferenz: 4%

- Max. zulässige Kavitation: an 1,5% der Propelleroberfläche darf der Dampfdruck unterschritten werden

- Max. auftretende Geschwindigkeitsschwankungen Begrenzungsflächen

• Strafterme zur Einhaltung der Randbedingungen22

)0,015.0max()0,04.01max( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−+−=

ges

kav

soll AAb

TTaf η



Propellerentwurf• Optimierungsspirale



Untersuchungen

Propeller DüsepropellerFlügelanzahl z 4 4Durchmesser Propeller D 1,60 1,60 mDurchmesser Düse (innen) DDüse,innen 1,63 mDurchmesser Düse (außen) DDüse,außen 1,98 m

Steigungsverhältnis P/D 0,80 1,24Flächenverhältnis EAR 0,56 0,56

• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse

- Geometrieauswahl

• Standart Propeller und Düsenpropeller (Wageninger B- und Ka-Serie)

- Untersuchungsbedingungen

• Freifahrtuntersuchung (parallele Anströmung)• Zwei Schubbelastungsgrade• Untersuchungsgebiet: Kontrollvolumen: Düsenpropeller 6,3 Mio. Hexaeder;

Propeller 4,7 Mio. Hexaeder



Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse

- Geometrische Propellereigenschaften und hydrodynamische Kennwerte

Propeller DüsepropellerZustand 1 Anströmgeschwindigkeit VA 2,344 2,344 m/scTH=10,23 Drehzahl n 363,25 283,88 1/min

Schub Tges 71968,8 71957,2 N

Drehmoment Q 13424,04 14635,64 NmSchubbeiwert Propller Kt,prop 0,275 0,313Schubbeiwert Düse Kt,düse --- 0,182Schubbeiwert Gesamt Kt 0,275 0,495Drehmomentenbeiwert 10 Kq 0,321 0,629

Wirkungsgrad Eta_0 0,316 0,544Fortschrittsgrad J 0,232 0,434




- Auswertungsebenen und Stromlinien




- Druckverteilung auf der Propelleroberfläche (Zustand 1 - cTH=10,23)

Druckseite

Saugseite




- Druckverhältnisse im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)

Notiz

Die unten stehenden Bilder sind animiert, bitte anklicken.




- Gemittelte Druckverhältnisse im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)




- Druckverlauf entlang der Stromlinien bei r/R=0,8 (Zustand 1 - cTH=10,23)

Propeller Düsenpropeller

Untersuchungen




- Druckverlauf entlang der Stromlinien bei r/R=0,8 (Zustand 1 - cTH=10,23)


Untersuchungen




- Druckgradienten entlang der Stromlinien bei r/R=0,8 (Zustand 1 - cTH=10,23)





- Strömungsgeschwindigkeit im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)

Untersuchungen

Notiz





- Gemittelte Strömungsgeschwindigkeit im Propellernachlauf (Zustand 1 -cTH=10,23)

- Normiert Geschwindigkeit

- Normierter X-Anteil der Geschwindigkeit




- Geschwindigkeiten entlang der Stromlinien bei r/R=0,8 (Zustand 1 - cTH=10,23)


Untersuchungen




- Wirbelstärke im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)

Notiz





- Gemittelte Wirbelstärke im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)




- Turbulenzgrad im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)

Notiz





- Belastung der Fischbestände entlang der Stromlinien (Zustand 1 - cTH=10,23)

Untersuchungen

R176

R175

R170

R160

R130

R100

R080

R060

R040

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10°

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R176

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R160

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Propeller Düsenpropeller43 Stromlinien, die Flügel treffen 402 10 < ΔPNorm 62 7,5 < ΔPNorm < 10 7




- Belastung der Fischbestände entlang der Stromlinien (Zustand 2 - cTH=12,87)

Untersuchungen

Propeller Düsenpropeller45 Stromlinien, die Flügel treffen 489 10 < ΔPNorm 193 7,5 < ΔPNorm < 10 10

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• Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse

- Stromlinienverlauf

- Druckverteilung auf der Geometrieoberfläche

Untersuchungen – Laufende Arbeiten




- Tunnellänge 2,6m

- Tunnellänge 4,2m

- Tunnellänge 5,8m





- Tunnellänge 2,6m - Tunnellänge 4,2m

- Tunnellänge 5,8m





- Gemittelte Strömungsgeschwindigkeit im Propellernachlauf




• Potentialtheoretische Untersuchung von Propulsionsorganen

- Propeller Wageninger B-Serie


00,10,20,30,40,50,60,70,8

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1J

KT,

10K

Q, e

ta

KT Wag. 10KQ Wag. eta Wag.KT poti 10KQ poti eta potiKT viskos 10KQ viskos



• Potentialtheoretische Untersuchung von Propulsionsorganen

- Düsenpropeller und Querstrahler




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