Die besondere Schwierigkeit des Schiffswiderstandsproblems lautet: Der Wellenwiderstand hängt von der Froude-Zahl ab, der Reibungswiderstand von der Reynolds-Zahl. In einem verkleinerten Modell lassen sich beide nicht gleichzeitig einstellen. Der Modellversuch läuft bei Froude-Ähnlichkeit, und der Reibungsanteil wird über ein Verfahren getrennt auf die Großausführung hochgerechnet.
CFD kann diese Lücke schließen, weil sich die Aufgabe unmittelbar im Maßstab 1:1 lösen lässt. Der Preis: Die Grenzschicht muss bei der Reynolds-Zahl der Großausführung aufgelöst werden — und das legt die Netzanforderung unmittelbar fest.
Der ITTC-Rahmen
Die International Towing Tank Conference veröffentlicht empfohlene Verfahren für CFD-Anwendungen an Schiffen; diese Dokumente stellen Gebietsdefinition, Netz, Lösung und Verifizierungsschritte auf eine gemeinsame Grundlage [1]. Diesem Rahmen zu folgen ist keine Vorliebe, sondern praktische Notwendigkeit, wenn Ergebnisse vergleichbar sein sollen.
Freie Oberfläche und Trimm
Eine Schiffsaufgabe ist per Definition eine Aufgabe mit freier Oberfläche, und sie bringt zwei zusätzliche Schwierigkeiten mit:
Das Wellensystem auflösen. Das Kelvinsche Wellenbild strahlt vom Rumpf ab. Das Netz muss die Wellenlänge mit genügend Zellen auflösen; bei zu geringer Auflösung werden die Wellen numerisch gedämpft und der Wellenwiderstand fällt zu niedrig aus. Wird auf der Abströmseite des Gebiets keine gezielte Dämpfungszone gelassen, reflektieren die Wellen am Rand und verfälschen die Lösung.
Freiheit in Trimm und Tauchung. Ein Schiff ist nicht festgehalten; mit steigender Geschwindigkeit vertrimmt und taucht es. Diese Freiheitsgrade zu sperren gibt den falschen Widerstand, besonders bei hohen Froude-Zahlen. Freigegeben, wird die Aufgabe zu einer zweiwegegekoppelten Aufgabe mit bewegten Rändern: Die Strömung setzt die Kraft, die Kraft setzt die Lage.
Der Propeller: Freifahrt oder hinter dem Rumpf?
Für eine Freifahrtkurve genügt ein periodisches Einzelpassagenmodell im stationären Zustand. Ein Propeller arbeitet jedoch im Nachstrom des Rumpfes, und die dort ankommende Strömung ist nicht gleichförmig. Die Schaufelbelastung schwankt über die Umdrehung, und die Kavitation beginnt im Maximum dieser Schwankung.
Die Wirkungsgradfrage ist daher billig und die Kavitations- und Schwingungsfrage teuer — letztere verlangt, die Wechselwirkung zwischen Rumpf und Propeller instationär zu lösen. Siehe die Notiz zu Strömungsmaschinen und die Notiz zur Kavitation.
Referenzen
- International Towing Tank Conference. ITTC Recommended Procedures and Guidelines 7.5-03-02-03: Practical Guidelines for Ship CFD Applications. ITTC.
- Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. & Raad, P. E. (2008). Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130(7), 078001. DOI: 10.1115/1.2960953