Ein erheblicher Teil des Rumpfwiderstandes entfällt bei schnellen Schiffen auf die Bildung des stationären Schiffswellensystems. Diese Schiffswellen gefährden zudem Uferbebauungen, Ufervegetation, Hafenanlagen und andere Schiffe. Die hydrodynamische Optimierung des Schiffsrumpfes auf Basis von Computersimulationen im frühen Entwurfsstadium spielt daher für Entwicklung ökonomisch und ökologisch effizienter Schiffe eine ausschlaggebende Rolle. In dieser Arbeit wurde ein iterativer Optimierungsalgorithmus zur Minimierung des Wellenwiderstandes von Schiffsrümpfen entwickelt und implementiert. Die Rumpfformadaptionen werden dabei unabhängig von einer speziellen Geometriedarstellung direkt über Strömungsgrößen gesteuert. Die Wellenschnittmethodik ermöglicht es, bei der Definition der Zielfunktion die Anteile einzelner Wellenkomponenten am Wellenwiderstand zu erfassen. Die Optimierung erfolgt für den benetzten Rumpf unterhalb der Wellenkontur des fahrenden Schiffes unter Berücksichtigung seiner dynamisch veränderlichen Schwimmlage. In jedem Optimierungszyklus wird, ausgehend von einer gegebenen Rumpfkontur, die Wirkung kleiner Modifikationen auf den Wellenwiderstand mit Hilfe der Störungstheorie ermittelt. Sowohl Nebenbedingungen als auch Zielfunktion werden dabei als quadratische Funktionen approximiert und zu einer konvexen Summe zusammengefasst. Auf diese Weise entsteht ein konvexes Abbild des Lösungsraums in der Umgebung eines gegebenen Punktes, der nur ein einziges Minimum aufweist, das aus den aus den Gradienten der Zielfunktion und der Nebenbedingungen berechnet werden kann. Durch die Anwendung des Verfahrens auf praxisnahe Rumpfformen lässt sich deren Wellenbildung und damit deren Wellenwiderstand deutlich verringern. Der Optimierungsalgorithmus führt zu einer Selbstanpassung der Rumpfgeometrie entsprechend den Erfordernissen der Optimierung. Die Optimierung wirkt sich auf verschiedene Einzelwellensysteme in Amplitude und Phase entlang des Rumpfes so aus, dass sie sich gegenseitig auslöschen. Die Auswirkung lokal begrenzter Rumpfvariationen (z.B. im Bugwulstbereich) lässt sich präzise anhand der Wellenspektren und der Wellenwiderstandsanteile verfolgen, was eine zielgerichtete Minimierung besonders schädlicher Wellenanteile ermöglicht. Die Ermittlung der Wellenspektren und der Verteilung des Wellenwiderstands auf die Einzelwellenkomponenten lassen sich für eine erheblich verbesserte Systemidentifikation und damit eine zielgerichtete Optimierung nutzen.
CFD based optimization of the wave-making characteristics of ship hulls
CFD-basierter Optimierungsalgorithmus zur Minimierung des Wellenwiderstandes von Schiffsrümpfen
2005
195 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Hochschulschrift
Englisch
Transient response of ship hulls to wave impact
Tema Archiv | 1989
|Design Optimization of Ship Hulls via CFD Techniques
Online Contents | 2001
|Narrow ship wakes and wave drag for planing hulls
Tema Archiv | 2014
|Vibratory Response of Ship Hulls to Wave Impact Loads
IOS Press | 1998