CFD based optimization of the wave-making characteristics of ship hulls

CFD basierte Optimierung der wellenbildenden Eigenschaften schneller Schiffe

  • Die Entwicklung ökonomisch und ökologisch effizienter Schiffe erfordert im großem Maße den Einsatz moderner, rechnergestützter Verfahren. Eine ausschlaggebende Rolle hierbei spielt die auf Computersimulationen basierende hydrodynamische Optimierung des Schiffsrumpfes, die in einem frühen Entwurfsstadium erfolgen sollte. Ein erheblicher Teil des Rumpfwiderstandes und damit des Leistungsbedarfs wird bei schnellen Schiffen durch Energieverluste infolge der Ausbildung des stationären SchiffswellensyDie Entwicklung ökonomisch und ökologisch effizienter Schiffe erfordert im großem Maße den Einsatz moderner, rechnergestützter Verfahren. Eine ausschlaggebende Rolle hierbei spielt die auf Computersimulationen basierende hydrodynamische Optimierung des Schiffsrumpfes, die in einem frühen Entwurfsstadium erfolgen sollte. Ein erheblicher Teil des Rumpfwiderstandes und damit des Leistungsbedarfs wird bei schnellen Schiffen durch Energieverluste infolge der Ausbildung des stationären Schiffswellensystems verursacht. Zudem gefährden Schiffswellen Küstenschutzmaßnahmen, Uferbebauungen, die Ufervegetation, Hafenanlagen und andere Schiffe sowie Badende. Im Rahmen der Arbeit wurde ein neuartiger Optimierungsansatz entwickelt und implementiert, der sich auf die Wellenbildungseigenschaften von Schiffsrümpfen konzentriert. Das Verfahren beruht auf der rechnergestützten Simulation des nichtlinearen, stationären Schiffswellenfeldes, auf der Betrachtung des Ursache-Wirkungs-Zusammenhanges von Rumpfvariationen und deren Auswirkung auf die Wellenbildung sowie auf der Wellenschnittmethodik, die ein nützliches Instrument für die Bewertung der Wellenbildungseigenschaften von Rumpfgeometrien in Form von freien Wellenspektren sowie des Wellen(bild)widerstands liefert. Diese Bausteine wurden zu einem voll automatischen Optimierungssystem integriert. Das Problem der Wellenwiderstandsminimierung wird hierbei auf eine spezielle Weise angegangen: Rumpfformadaptionen werden direkt über Strömungsgrößen gesteuert, unabhängig von einer speziellen Geometriedarstellung sowie einem speziellen Verfahren zur Geometrievariation. Mit Hilfe der Wellenschnittmethodik lässt sich eine aussagekräftige Zielfunktion in Form von freien Wellenspektren und des Wellen(bild)widerstands über den Einzelwellenkomponenten definieren, was eine erheblich verbesserte Systemidentifikation und damit eine zielgerichtete Optimierung ermöglicht. Die Optimierung erfolgt direkt für den benetzten Rumpf unterhalb der Wellenkontur des fahrenden Schiffes in seiner dynamischen Schwimmlage. Der Optimierungsprozess baut auf aufeinander folgenden Sub-Optimierungsschleifen, in denen jeweils ein Ausschnitt des Lösungsraums vereinfacht auf einen konvex, quadratischen Raum abgebildet wird, von dem man weiß, dass er ein einziges Minimum aufweist, das von den aktiven Nebenbedingungen bestimmt wird. Dadurch wird das Lösungsverfahren beschleunigt und die Verwendung einer großen Zahl von Optimierungsvariablen mit jeweils lokalem Einflussbereich ermöglicht. Dies generiert ein substantielles Maß an Freiheit für die Formvariation. Die vorliegende Arbeit stellt alle Aspekte des Optimierungsansatzes ausführlich dar. Die Anwendung des Verfahrens auf praxisnahe Rumpfformen weist folgendes nach: Die Wellenbildung lässt sich deutlich verringern. Dies ist mit einer erheblichen Reduktion des Wellen(bild)widerstand verbunden. Rumpfgeometrievariationen sind entsprechend den Erfordernissen der Optimierung so einstellbar, dass sich erwartete optimale Geometrieänderungen ergeben. Freiheiten der Rumpfvariation können dort in das System eingebracht werden, wo im spezifischen Entwurfszusammenhang noch Freiräume vorliegen. Optimale Überlagerungen verschiedener Einzelwellensysteme in Amplitude und Phase entlang des Rumpfes stellen sich so ein, dass die Einzelwellensysteme sich gegenseitig auslöschen. Der Fingerabdruck lokal begrenzter Rumpfvariationen (z.B. im Bugwulstbereich) lässt sich präzise bis in die Wellenspektren und bis zum Wellen(bild)widerstand verfolgen, was eine zielgerichtete Minimierung besonders schädlicher Wellenanteile ermöglicht. Mit den Wellenspektren und der Verteilung des Wellen(bild)widerstands über den Einzelwellenkomponenten werden wertvolle Informationen bereit gestellt, die eine erheblich verbesserte Systemidentifikation und damit eine zielgerichtete Optimierung erlauben. Gedruckte Version im Mensch & Buch Verlag Berlin [http://www.menschundbuch.de] erschienen.show moreshow less
  • Ship optimization based on computer simulations has become a decisive factor in the development of new, economically efficient and environmentally friendly ship hull forms. An important task at an early design stage is the optimization of the wave-making characteristics of the ship hull since for fast ships a considerable resistance component stems from the steady ship wave system. Moreover, the ship waves cause adverse effects in the far field as the wash hits the shore line or other vessels. AShip optimization based on computer simulations has become a decisive factor in the development of new, economically efficient and environmentally friendly ship hull forms. An important task at an early design stage is the optimization of the wave-making characteristics of the ship hull since for fast ships a considerable resistance component stems from the steady ship wave system. Moreover, the ship waves cause adverse effects in the far field as the wash hits the shore line or other vessels. A novel hull form optimization approach has been developed and implemented. It builds on a CFD (Computational Fluid Dynamics) based evaluation of the nonlinear ship wave pattern, on realization of the cause and effect relation of hull variations and their impact on wave formation, which is accessed by a perturbation approach, and on wave cut analysis (WCA). WCA yields an excellent assessment of the wave-making characteristics of a hull form in terms of its free wave spectrum and the wave associated pattern resistance. These features are highly integrated and controlled by a fully automated optimization scheme. The scheme is specific in the way it tackles the optimization problem: The hull adaptation is driven directly by hydrodynamics, avoiding prerequisites to the shape representation and to the hull modification method. Wave cut analysis yields the objective function of optimization in terms of the free wave spectrum and the wave pattern resistance. This considerably improves the system identification allowing a focused optimization. The hull optimization is carried out directly for the effective wetted hull portion of the advancing ship including the effects of dynamic trim and sinkage and wave formation along the hull. The optimization process is established in terms of an iterative marching scheme of successive sub-optimization loops. In each loop a region of the solution space is mapped to a simplified convex quadratic image which merely possesses a single minimum determined by the active constraints. This enables a straightforward solution procedure and a simultaneous treatment of a large number of locally acting optimization variables, introducing much freedom to the hull variation. All aspects of the proposed optimization approach are presented. Applications of the optimization scheme to practical ship hull forms show the following: The wave-making characteristics can be considerably improved with a tangible reduction of the wave (pattern) resistance. Hull variations are driven by the optimization to the expected optimum hull shapes with the hull geometry fully self-adjusting according to the optimization requirements. Optimal interferences of local wave trains are enforced both in amplitude and phase which results in a beneficial cancelation of the wave trains. The specific fingerprints of locally confined hull variations (e.g., at the bulbous bow) can be effectively traced in the wave spectrum and in the wave pattern resistance to allow a focused minimization of particular adverse wave components. The system identification can be significantly improved by utilizing additional information in terms of the wave spectrum and the distribution of the wave pattern resistance over the waves range. Printed version available from Mensch & Buch Verlag Berlin [http://www.menschundbuch.de].show moreshow less

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Metadaten
Author: Justus Heimann
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-10442
Publisher:Mensch & Buch Verlag
Place of publication:Berlin
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Günther F. Clauss
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2005/07/14
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Date of final exam:2005/03/02
Release Date:2005/07/14
Tag:Schiffs-Form-Optimierung; Wellen-Bild-Widerstands-Minimierung; lokale Perturbationsmethodik; Wellenschnittanalyse; freie Wellenspektren; Welleninterfe
ship hull form / shape optimization; wave pattern resistance minimization; local hull perturbation scheme; wave cut analysis; free wave spectra; wave
Institutes:Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme -ohne Zuordnung zu einem Institut-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)