Numerische Untersuchung der Maßstabseffekte an Schiffspropellern

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Die Begutachtung des Systems Schiff wird bisher überwiegend anhand von Modellversuchen durchgeführt. Hierbei werden Modelle des Schiffs sowie der Propulsionskomponenten maßstäblich untersucht. Auf der Grundlage der gewonnen Ergebnisse wird u. a. eine Prognose für die Großausführung des Propellers erstellt. Bei der Durchführung der Modellversuche und Übertragung der Ergebnisse auf die Großausführung sind physikalische Ähnlichkeitsgesetze zur Darstellung ähnlicher Strömungsverhältnisse zu berücksichtigen. Die Voraussetzungen können häufig jedoch nicht eingehalten werden, bspw. kann die Reynoldssche Ähnlichkeit aus technischen Gründen nicht berücksichtigt werden. Diese Gegebenheiten werden durch empirische Korrekturen berücksichtigt, welche die Zunahme des Propellerwirkungsgrads nach sich ziehen. Aufgrund der Zunahme der Schiffsgrößen sowie der Geschwindigkeiten in den letzten Jahren vergrößert sich der Durchmesser des eingesetzten Propellers. Da die Abmessungen der Versuchsanlagen in den Schiffbauversuchsanstalten unverändert geblieben sind, erhöht sich der zu verwendende geometrische Maßstabsfaktor. Mit der Zunahme des Maßstabsfaktors wächst die Anforderung an die Genauigkeit des Umrechnungsverfahrens der Modellmessergebnisse auf die Großausführung. Eine detailliertere Beschreibung der Maßstabseffekte sowie die Entwicklung eines genaueren Verfahrens sind daher sinnvoll. Die derzeitig verwendeten Verfahren zur Umrechnung der Kennwerte des Modellpropellers auf die Großausführung basieren im Wesentlichen allein auf der Betrachtung des Profilwiderstands bzw. auf dem Reibungsanteil des Widerstands. Für eine genauere Beschreibung der Maßstabseffekte wurde daher zunächst eine Methode zur Durchführung numerischer Simulationen der viskosen Strömung zur Bestimmung der Freifahrtcharakteristik von Propellern in Modell- und Großausführungsmaßstab erarbeitet. Aufgrund der Untersuchung von möglichen Einflussfaktoren konnte gezeigt werden, dass nicht nur der Widerstand, sondern ebenfalls der Auftrieb einen Einfluss auf die Maßstabseffekte hat. Weiterhin zeigte sich, dass eine zweidimensionale Betrachtung des Maßstabseffekteproblems bei Schiffspropellern die Vernachlässigung der radialen Änderung der Druck- und Schubspannungsverteilung infolge der dreidimensionalen Strömung bedeutet, woraus letztlich ein ungenaueres Umrechnungsverfahren resultiert. Ferner wurde der Einfluss des Umschlags von einer laminaren zu einer turbulenten Grenzschicht auf die Maßstabseffekte am Modellpropeller untersucht. Die vorgenannten Effekte werden in den gängigen Umrechnungsverfahren vernachlässigt. Aufbauend auf numerischen Untersuchungen an ausgewählten Schiffspropellern wurde ein Verfahren zur Umrechnung der Propellerkräfte und -momente vom Modell auf die Großausführung entwickelt. Das Umrechnungsverfahren berücksichtigt die unterschiedliche Strömung des Modells und der Großausführung sowie die dreidimensionalen Effekte der Grenzschichtströmung. Weiterhin werden geometrische Größen des Propellers für die Beschreibung der Maßstabseffekte verwendet. Ein Vergleich der Verfahren hat ergeben, dass für das entwickelte Verfahren der Einfluss der Reynoldszahl auf die Kennwerte (Momenten- und Schubbeiwert) qualitativ anders als bei den bisherigen empirischen Verfahren ausfällt. Allen Verfahren gemein ist eine Erhöhung des Wirkungsgrads. Dieser wird in den empirischen Verfahren primär durch eine Verringerung des Drehmoments bei geringer Zunahme des Schubs erzielt. Das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren weist dagegen für den Momentenbeiwert eine erheblich geringere Abhängigkeit von der Reynoldszahl auf als bisher angenommen. Die Wirkungsgradzunahme resultiert maßgeblich aus einer Schubzunahme sowie einem nahezu unveränderten Drehmoment.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Schiffstechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
Propeller, Maßstabseffekte, Transition, laminare Strömung, turbulente Strömung, Strömungsumschlag, Reynoldszahl Effekt, Profil, Flügel, numerische Simulation, Ansys CFX, ICEM CFD
Beitragende:
Prof. Dr.-Ing. Abdel-Maksoud, Moustafa [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. el Moctar, Bettar O. [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
01.12.2010
Promotionsantrag am:
23.02.2010
Dateien geändert am:
30.07.2013
Medientyp:
Text