02.03.2015

Numeca Fine/Marine Tests

Eine Frage, die mich schon lange umtreibt ist: Bewegen sich die Ergebnisse, die ich mit SHIPFLOW berechnet habe, annähernd in einem realistischen Bereich oder sind das alles nur Fantasiewerte ohne Realitätsbezug? Wissenschaftlich gesehen ist das der Schritt, wo man versucht durch andere Methoden seine Ergebnisse zu plausibilisieren. Logisch wäre ein Tanktest, aber das ist natürlich zu aufwendig. Daher habe ich die Gelegenheit wahrgenommen, von NUMECA eine 30 Tage Testlizenz zu bekommen, um ein paar Testrechnungen zu machen.

Kurz gesagt: Die Ergebnisse liegen so gut beieinander, dass ich mir keine Sorgen machen muss. Abbildung 1 zeigt die Gesamtwiderstandskurven des Modells M4a_0063 im Vergleich von SHIPFLOW versus Fine/Marine für einen Rumpf mit den selben hydrodynamischen Parametern für Salzwasser. Es sieht so aus, als bewegte ich mich von ein paar Ausreißern abgesehen im Bereich von etwa 1-3% Abweichung zwischen den zwei Programmen. Gerade im Bereich des ersten Widerstandsbergs ($F_n=0.30$) scheint es keine bösen Überraschungen zu geben. Das ist wichtig weil das mein Hauptauswahlkriterium war. Die Programme arbeiten aber mit vollkommen verschiedenen Ansätzen: SHIPFLOW mit dem zonal approach (Panelmethode mit VOF-Berechnung im Heckbereich) und Fine/Marine mit einem kompletten VOF-Ansatz zum Lösen der Navier-Stokes-Gleichungen in 3D inklusive Wellenoberfläche.

Allerdings möchte ich mich hier einem anderen Thema zuwenden, nämlich der Frage, welchen Einfluss eine Katamarankonfiguration im Gegensatz zu einer Ein-Rumpf-Simulation auf den Gesamtwiderstand hat. Bei den Pi-mal-Daumen-Überlegungen für Blu:Kat wurde behauptet, dass der Einfluss vernachlässigbar sei. Ich konnte mit Fine/Marine nachweisen, dass das nur die halbe Wahrheit ist: Bei geringen Geschwindigkeiten ($F_n=0.30$ (ca. 8 Knoten)) trifft das bei meinem Rumpf einigermaßen zu, bei höheren Geschwindigkeiten ($F_n=0.44$ (ca. 12 Knoten)) definitiv nicht (vgl. Tabelle 1).

Tabelle 1: Gesamtwiderstände für zwei Rümpfe [N]: Ein-Rumpf vs. Katamarankonfiguration

Foude/Bezeichnung	Ein Rumpf	Katamaran (BCB=4,25m)	$\Delta_R$
$F_n = 0.30$	2872	2908	+1,3%
$F_n = 0.44$	10568	12506	+18,3%

Abbildungen 2 und 3 zeigen die Wellenbilder für einen einzelnen Rumpf bzw. eine Katamarankonfiguration. Die Rumpfform ($LWL=20,17m$, $BWL=1,85m$) und die Geschwindigkeit ($F_n = 0,44$) sind in beiden Fällen gleich. Das Maß BCB bezeichnet den Abstand zwischen Mittschiffslinie und Mittellinie eines Rumpfes (Schwimmers). Am Wellenbild für die Ein-Rumpf-Simulation und der Katamaran-Simulation ist gut erkennen, woher der zusätzliche Widerstand kommt: Die Wellen überlagen sich mittig zwischen den Rümpfen, einmal als Vertiefung zwischen den Rümpfen (blau) und einmal als vergrößerte Heckwelle mittig hinter den Rümpfen (gelb/orange/rot).

Eine solche Heckwelle kann bei höheren Geschwindigkeit erhebliche Dimensionen annehmen und so maßgeblich zum Gesamtwiderstandbeitragen. Eindrucksvoll zu erkennen ist eine solche Welle z.B. bei der Katamaran-Schnellfähre nach Stewart Island (Neuseeland) ($LWL = 25m$, $F_n = 0,83$ (25 Knoten)). Diese Welle erreicht geschätzt bis zu zwei Meter Höhe (vgl. Abbildung 4).

In Anbetracht die dieser Rumpfintereferenzen stellt sich die Frage, wie man diesen Widerstand reduzieren kann. Die naheliegende Antwort ist eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den Rümpfen. Tabelle 2 zeigt diesen Effekt für verschiedene BCB. Die Frage, die bleibt, ist, ob und wie man die Größe der Heckwelle mit der Rumpfform beeinflussen kann. Die Studienarbeit Design and optimization of a 50' sailing catamaran von Perret beschäftigt sich mit dieser Frage. Demnach scheint es möglich zu sein, die Heckwelle zu reduzieren, indem die Rumpfunterseite am Heck in der Seitenansicht leicht konkav gestaltet wird. Allerdings funktioniert das mit meiner Knickspantbauweise nicht ordentlich. Ferner hat demnach auch die Hecktauchtiefe einen Einfluss auf den Widerstand. Allerdings bewegt sich der untersuchte Geschwindigkeitsbereich dort im Bereich $F_n = 0,4...0,7$. Die Strafe, die man für diese Maßnahmen im niedrigen Geschwindigkeitsbereich bezahlt, wird dort also nicht sichtbar. Beipielsweise führt eine tiefere Hecktauchung zu mehr Totwasser, was den Widerstand in diesem Bereich erhöht. Ein weiterer Schwachpunkt der Studienarbeit ist, dass das verdrängte Volumen nicht exakt konstant gehalten wird, was an der manuellen Generierung der Modelle mit Rhino liegt. Es ist also fraglich, ob die Ergebnisse nicht zumindest teilweise auf das Konto der Verdrängungsänderung gehen.

Die Erklärung, wieso es zu der Reduktion des (Wellen-)Widerstands kommt, ist einfach: Die konkave Form sorgt in diesem Geschwindigkeitsbereich bereits für leichten hydrodynamischen Auftrieb am Heck, was die Vertrimmung reduziert. Ein Rumpf der weniger vertrimmt hat aber grundsätzlich einen geringeren Wellenwiderstand, wie ich in meinen Untersuchungen bestätigen konnte. Für mich bedeutet das, dass Heckkonfigurationen, die gerade oder mit minimaler Konvexität auslaufen, das erreichbare Minimum darstellen.

Tabelle 2: Gesamtwiderstände für Katamarane mit verschiedenen BCB bei $F_n = 0.44$

BCB [m]	Gesamtwiderstand [N]	$\Delta_R$ (bezogen auf BCB=4,0m)
4,00	12908	0,0%
4,25	12506	-3,10%
4,50	12258	-5,0%

Eine weitere Frage, die ich aus Zeitmangel nur ansatzweise untersucht habe, ist die Frage, die ich bereits unter dem Menüpunkt CFD/SHIPFLOW (potential flow) theoretisch zu erörtern versucht habe, nämlich die Frage, ab welcher Geschwindigkeit das Wasser bei welcher Hecktauchung am Heckspiegel sauber abreißt. Die Fine/Marine Simulation hat gezeigt, dass die Strömung bei $F_n = 0,30$ (8 Knoten) und einer Hecktauchung von 7,5 cm bei meinem Design sauber abreißt. Weitere Untersuchungen für niedrigere Geschwindigkeiten fehlen mir leider. Abbildung 5 zeigt die Heckpartie für $F_n=0,30$. Die leuchtend grüne Line zeigt den Verlauf der aktuellen Wasserlinie. Sie folgt der Geometrie des Rumpfes.