Strömungsmechanische Simulationen für Seeschiffe
Der Begriff „CFD-optimierter Rumpf“ wird immer mehr zu einem Schlagwort wie „innovativ“ oder „nachhaltiges Bootfahren“. Wenn wissenschaftliche Begriffe zu Marketingzwecken überstrapaziert werden, beginnt ihre eigentliche Bedeutung zu verwässern. Aber was bedeutet es wirklich, eine CFD-Berechnung durchzuführen? Wann lohnt es sich, eine solche Berechnung durchzuführen, und welche Vorteile bietet sie?
Bei iYacht bieten wir eine umfassende Palette von Dienstleistungen an, einschließlich CFD-Optimierung. Bevor wir tiefer in unseren Prozess eintauchen, möchten wir etwas Klarheit darüber schaffen, was eine CFD-Berechnung tatsächlich ist, welche Zeit- und Kostenfaktoren daran gebunden sind und in welchen Fällen es sinnvoll ist, in eine vollständige Optimierung zu investieren und in welchen Fällen es kosteneffektiver ist, einige Überprüfungen durchzuführen.
CFD versus Modelltests
Modelltests waren jahrzehntelang die bevorzugte Methode, um die Leistung eines neuen Designs vorherzusagen. Bei iYacht haben wir Erfahrung mit dieser Art von Tests bei einigen Projekten: Das letzte Mal, dass wir ein Modell in einen Schlepptank gebracht haben, war vor etwa 7 Jahren, um die Rumpfform eines Handelsschiffs zu analysieren.
In der Zwischenzeit haben sich CFD-Programme weiterentwickelt, und die Rechenkapazität hat ständig zugenommen. Heutzutage sind die Ergebnisse, die wir durch eine Software-Simulation erzielen, in Bezug auf Genauigkeit sehr vergleichbar mit den Ergebnissen eines zeitaufwändigen und teuren Modelltests vor 20 Jahren. Wenn man die Vor- und Nachteile summiert, gewinnt in den meisten Fällen die Software gegenüber physikalischen Tests. Modelltests erfordern im Vergleich zu einer Software-Simulation eine persönliche Anwesenheit, den Bau des Modells und die Organisation der Anlage: Aktivitäten, die viel Zeit und Ressourcen verbrauchen.
Christoph Braun, Naval Architect bei iYacht macht deutlich, wie schnell sich die Software und die Rechenkapazität entwickelt haben:
„Als ich an der Universität war, war es nur möglich, CFD auf einem sehr leistungsstarken Computer durchzuführen. Wir mussten die Rumpfform auf das absolute Minimum reduzieren, und selbst dann dauerte die Berechnung viele Tage.
Jetzt ist es möglich, das CFD auf einer der hier in unserem Büro in Hamburg installierten Workstations durchzuführen, und die breite Verfügbarkeit von Programmen macht diese ehemals zeitaufwendige Analyse auch für relativ kleinere Unternehmen geeignet.
Selbst das komplexeste und vollständigste CFD eines Rumpfs mit mehreren Anhängen dauert nicht länger als ungefähr zwei Tage.
Mit den vielen Optionen auf dem Markt führen wir regelmäßig interne Forschungen durch, um zu bestimmen, welches Programm wir übernehmen sollten. Wir möchten sicherstellen, dass wir immer noch die beste Software-Toolbox verwenden, die für unsere Bedürfnisse geeignet ist. Derzeit ist unsere Wahl das Simerics Multi-Phase-Plugin für Orca 3D, das es uns ermöglicht, schiffbauliche Berechnungen innerhalb derselben Design-Software durchzuführen, die wir auch für die 3D-Modellierung des Projektes und seiner Komponenten verwenden.
Als Komplettanbieter ist eines unserer Versprechen, unseren Kunden einen optimierten Prozess zu bieten. Die Nutzung nahtlos integrierter Programme ist ein erheblicher Vorteil für uns und unsere Kunden, sowohl in Bezug auf die Kostensenkung als auch auf die Erzielung der Endergebnisse in kurzer Zeit.
Die Integration in die Design-Software ist wichtig, da das CFD des Rumpfs relativ früh in der Designphase durchgeführt wird. Dadurch können wir das Rumpfdesign basierend auf den Berechnungsergebnissen anpassen. Die Überprüfung anderer Details, wie die Position von Anhängen, kann in einer späteren Designphase optimiert werden.
Ist Ihr Design CFD-optimiert oder CFD-validiert?
Die meisten Boote werden heutzutage als „CFD-optimiert“ vermarktet, aber das ist nicht immer zutreffend. Es ist wichtig, zwischen einer vollständigen Optimierung und dem bloßen Durchführen einiger Tests zur Validierung des Designs oder zur Überprüfung spezifischer Details zu unterscheiden.
Populär gemacht durch den Rennsport sind Strömungsbilder mittlerweile auch der breiten Öffentlichkeit bekannt. Diese bunten Linien um ein 3D-Modell lassen viele Laien sofort annehmen, dass das Design wissenschaftlich bewiesen und optimiert ist, aber eine echte CFD-Optimierung ist viel komplexer. Um einen Rumpf mit CFD wirklich zu optimieren, müssen zahlreiche Tests unter verschiedenen Bedingungen und mit unterschiedlichen Rumpfdesigns durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden dann analysiert, und basierend auf diesen Ergebnissen werden Entscheidungen für die nächste Designiteration getroffen. Dieser Prozess erfordert das Entwerfen vieler Rümpfe und das Durchführen zahlreicher Tests – eine umfangreiche Unternehmung.
Es ist zwar möglich, zwei oder drei Tests durchzuführen, um bestimmte Elemente zu überprüfen, wie etwa die Position von Anhängen mittels Strömungsanalyse, wir jedoch bevorzugen es, dies als CFD-Validierung statt Optimierung zu bezeichnen.
Wann lohnt sich eine vollständige CFD-Optimierung wirklich?
Wenn man versteht, dass eine vollständige CFD-Optimierung eine bedeutende Aufgabe ist, stellt sich natürlich die nächste Frage: Wann macht es Sinn, diese in Angriff zu nehmen?
Für Freizeitschiffe empfehlen wir eine CFD-Optimierung für Serienproduktionen, bei denen das Volumen der hergestellten Boote die anfängliche Investition rechtfertigt, oder wenn hohe Leistung gefordert ist. Im letzteren Fall kann es sich auch bei einem Einzelstück lohnen, CFD durchzuführen, um die gewünschte Leistung zu erreichen.
Für kommerzielle Schiffe, die viele Stunden im Einsatz sind, ist es sehr vorteilhaft, den Rumpf zu optimieren, um die Betriebskosten und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
Die gute Nachricht ist, dass eine umfangreiche CFD-Analyse nicht immer notwendig ist, um ein Boot zu optimieren, besonders in Fällen, in denen wirtschaftliche Faktoren und Zeitbeschränkungen gegenüber der extremen Präzision der Software priorisiert werden. Wir haben eine umfassende Datenbank aus allen bisherigen Simulationen aufgebaut, die unser Wissen erheblich erweitert hat. Dadurch können wir gute Annäherungen erreichen, indem wir dieses Wissen in die Ergebnisse analytischer Berechnungen integrieren. Diese gesammelte Expertise ermöglicht es uns, Boote effizienter zu entwerfen, oft ohne neue CFD-Analysen durchführen zu müssen, sondern indem wir uns auf das stützen, was wir aus früheren CFD-Studien gelernt haben.
Was können wir mit CFD simulieren?
Der Hauptfokus der CFD-Berechnungen liegt auf dem Widerstand. Obwohl es auch möglich ist, das Verhalten in der See zu analysieren, fügt dies eine weitere Komplexitätsebene hinzu. Zusätzlich zur Widerstandsberechnung ermöglicht es uns die CFD, die Positionierung von Anhängen, Rudern, den Eintrittswinkel des Rumpfes sowie die Form und Position von sogenannten Sprayrails für sehr schnelle Boote zu optimieren.
Kürzlich haben wir bei der Untersuchung der Form der gebogenen Daggerboards eines 55 Fuß langen Katamarans auch den Auftrieb dieser Foils berechnet. Bei einigen speziellen Designs haben wir den Luftstrom untersucht und neben den hydrodynamischen auch aerodynamische Berechnungen durchgeführt. Zum Beispiel haben wir Analysen durchgeführt, um sicherzustellen, dass ein 52 Fuß langes schnelles Motorboot ein trockenes Cockpit hat, indem wir die Luftströme um die Aufbauten zur Kontrolle der Spritzwasserbildung optimierten.
Eine große Vielfalt an Schiffen
Bei iYacht übernehmen wir das Design und die technische Entwicklung verschiedener Bootstypen. Dadurch hat unser Team umfangreiche Erfahrungen in der Durchführung von CFD-Analysen an einer breiten Palette von Schiffen gesammelt: Mehrrümpfer, Handelsschiffe, schnelle Gleiter und Verdränger. Für welche dieser Schiffe waren die Ergebnisse am aufschlussreichsten?
Christoph teilt seine persönliche Meinung dazu: „Ich war schon immer ein Fan von Segelbooten, daher finde ich es aus meiner persönlichen Sicht wirklich faszinierend, CFD für diese Art von Booten durchzuführen. Wir analysieren das Boot unter realen Segelbedingungen, wie beispielsweise die Krängungswinkel, und optimieren auch den Kiel und die Anhänge.
Mehrrümpfer sind besonders interessant. Wir haben viel gelernt, indem wir die Interaktionen zwischen den beiden Rümpfen untersucht und modelliert haben. Es ist viel komplexer als Einrumpfboote, da der Fluss um einen Rumpf durch die Interferenz des Flusses um den anderen Rumpf beeinflusst wird.
Bei Superyachten kann CFD auch entscheidend sein, um die Platzierung von Anhängen wie Stabilisatoren, Ruder und Propeller zu bestimmen und deren Interaktionen zu verstehen. Präzise CFD-Analysen helfen, die Leistung zu optimieren und Interferenzen zu reduzieren.“
Aktuelles Projekt: Eine Aluminium-Explorer-Segelyacht
Kürzlich spielte die CFD-Analyse eine entscheidende Rolle bei der Optimierung einer Aluminium-Explorer-Segelyacht. Wir untersuchten verschiedene Variablen wie unterschiedliche Rumpfformen, Kielformen und Kielpositionen bei verschiedenen Krängungs- und Gierwinkeln. Basierend auf den Ergebnissen dieser Berechnungen haben wir das Design iteriert, um die optimale Konfiguration zu erreichen.
Zusätzlich führten wir Validierungen des dynamischen Trimmens durch, um den Auftrieb unter dem Bug zu bestimmen. Im Voraus zu wissen, ob der Bug sich ausreichend anheben oder abtauchen würde, war entscheidend für die Optimierung der Form. Dies ermöglichte es uns, das Design für eine bessere Leistung und Stabilität zu verbessern.
Das eigentliche Ziel: Kunden zur besten Wahl für den geplanten Einsatz führen
Dieser Service muss ganzheitlich angegangen werden, indem er in den Designprozess integriert wird und iterativ Entscheidungen beeinflusst. Bei iYacht erreichen wir dies durch die Zusammenarbeit der verschiedenen Spezialisten, die wir im Haus haben. In unseren beiden Büros stützen wir uns auf ein Team von 11 Ingenieuren, Designern und Naval Architects.
Vor allem ist CFD eines der vielen Werkzeuge, die wir nutzen, um unser Ziel zu erreichen: die Kunden zur besten Wahl zu führen.
Es ist unerlässlich, sich die Zeit zu nehmen, um den geplanten Einsatz des Bootes durch den Kunden zu analysieren. Schon früh ist es wichtig, die spezifische Geschwindigkeit für die Optimierung zu bestimmen. In den meisten Fällen ist die Optimierung für die Reisegeschwindigkeit von größter Bedeutung, da sie den Wünschen des Kunden entspricht.
Wir streben an, Rümpfe zu entwerfen, die unter verschiedenen Bedingungen gut funktionieren, und führen hierfür verschiedene CFD-Analysen unter vielen Bedingungen durch, da die maritimen Bedingungen sehr variabel sind, mit unterschiedlichen Meeren und Winden. Die Durchführung einer CFD-Analyse nur unter bestimmten Wind- und Seebedingungen könnte zu einem extremen Rumpf führen, der in einigen Szenarien hervorragend ist, aber in anderen unangenehm und leistungsschwach ist. Daher zielen unsere Analysen darauf ab, Rümpfe zu bieten, die die Leistung unter unterschiedlichen Bedingungen ausbalancieren.
Unser Ansatz ist es, CFD klug innerhalb des gesamten iterativen Prozesses von Design, Schiffsentwurf und Produktentwicklung einzusetzen. Die Integration dieser Methode in unseren Prozess ermöglicht es uns, das Verhalten des Schiffes vor der Produktion zuverlässig vorherzusagen und so die optimale Leistung der Yacht und die höchste Kundenzufriedenheit sicherzustellen.