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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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2BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
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
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3BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
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
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4BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
Propellerentwurf• Geometriebeschreibung
Variationsparameter: Steigung – Rücklage - Hang Sehnenlänge - Dickenverteilung - WölbungDurchmesser
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5BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
Propellerentwurf• Entwurfablauf
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6BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
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
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7BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
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
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8BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
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
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9BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
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
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10BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
Propellerentwurf• Optimierungsspirale
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11BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
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
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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
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13BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Auswertungsebenen und Stromlinien
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Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Druckverteilung auf der Propelleroberfläche (Zustand 1 - cTH=10,23)
Druckseite
Saugseite
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15BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Druckverhältnisse im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)
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Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Gemittelte Druckverhältnisse im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)
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• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Druckverlauf entlang der Stromlinien bei r/R=0,8 (Zustand 1 - cTH=10,23)
Propeller Düsenpropeller
Untersuchungen
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• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Druckverlauf entlang der Stromlinien bei r/R=0,8 (Zustand 1 - cTH=10,23)
Propeller Düsenpropeller
Untersuchungen
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Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Druckgradienten entlang der Stromlinien bei r/R=0,8 (Zustand 1 - cTH=10,23)
Propeller Düsenpropeller
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Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Druckgradienten entlang der Stromlinien bei r/R=0,8 (Zustand 1 - cTH=10,23)
Propeller Düsenpropeller
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21BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Strömungsgeschwindigkeit im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)
Untersuchungen
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Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Gemittelte Strömungsgeschwindigkeit im Propellernachlauf (Zustand 1 -cTH=10,23)
- Normiert Geschwindigkeit
- Normierter X-Anteil der Geschwindigkeit
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• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Geschwindigkeiten entlang der Stromlinien bei r/R=0,8 (Zustand 1 - cTH=10,23)
Propeller Düsenpropeller
Untersuchungen
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• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Geschwindigkeiten entlang der Stromlinien bei r/R=0,8 (Zustand 1 - cTH=10,23)
Propeller Düsenpropeller
Untersuchungen
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Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Wirbelstärke im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)
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Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Gemittelte Wirbelstärke im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)
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
27BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
Untersuchungen• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Turbulenzgrad im Propellernachlauf (Zustand 1 - cTH=10,23)
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• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- Belastung der Fischbestände entlang der Stromlinien (Zustand 1 - cTH=10,23)
Untersuchungen
R176
R175
R170
R160
R130
R100
R080
R060
R040
R020
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
R176
R175
R170
R160
R130
R100
R080
R060
R040
R020
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
Propeller Düsenpropeller43 Stromlinien, die Flügel treffen 402 10 < ΔPNorm 62 7,5 < ΔPNorm < 10 7
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• Einfluss der Propellergeometrie auf die Strömungsverhältnisse
- 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
R176
R175
R170
R160
R130
R100
R080
R060
R040
R020
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
R176
R175
R170
R160
R130
R100
R080
R060
R040
R020
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
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30BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
• Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse
- Stromlinienverlauf
- Druckverteilung auf der Geometrieoberfläche
Untersuchungen – Laufende Arbeiten
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31BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
• Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse
- Tunnellänge 2,6m
- Tunnellänge 4,2m
- Tunnellänge 5,8m
Untersuchungen – Laufende Arbeiten
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32BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
• Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse
- Tunnellänge 2,6m - Tunnellänge 4,2m
- Tunnellänge 5,8m
Untersuchungen – Laufende Arbeiten
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33BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
• Einfluss der Querstrahlergeoemterie auf die Strömungsverhältnisse
- Gemittelte Strömungsgeschwindigkeit im Propellernachlauf
Untersuchungen – Laufende Arbeiten
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34BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
• Potentialtheoretische Untersuchung von Propulsionsorganen
- Propeller Wageninger B-Serie
Untersuchungen – Laufende Arbeiten
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
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35BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
• Potentialtheoretische Untersuchung von Propulsionsorganen
- Düsenpropeller und Querstrahler
Untersuchungen – Laufende Arbeiten
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
36BAW-KolloquiumKarlsruhe, 26.04.2007
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