DynAForm - Dynamisch Adjungierte Formoptimierung

Hintergrund 

Das Teilvorhaben DynAForm im Verbundvorhaben Dynamo befasst sich mit der Weiterentwicklung von praxistauglichen simulationsbasierten Methoden zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Schiffen mittels Formoptimierung. Der Fokus der technischen Ziele liegt auf der Entwicklung einer robusten sowie effizienten Prozesskette unter ganzheitlicher Berücksichtigung aller praxisrelevanten hydrodynamischen Effekte und Bedingungen. Grundlage der Entwicklungen sind kontinuierlich-adjungierte Theorien zur Sensitivitätsanalyse in komplexen viskosen Mehrphasenströmungen. Primäre wissenschaftliche Ziele des geplanten Vorhabens sind die Nutzung eines diffusen Mehrphasenmodells bei der Formulierung des adjungierten Strömungssimulationsverfahrens, die Betrachtung der veränderlichen Schwimmlage im Optimierungsprozess, die Konvergenzbeschleunigung und die Steigerung der Robustheit des Formoptimierungsprozesses, die verbesserte Behandlung geometrischer Nebenbedingungen und eine Unterstützung des Geometrietransfers an die CAE-Umgebung. Die Verwendung von diffusen anstelle von klassischen scharfen Phasenübergangsbeschreibungen zur Unterstützung der adjungierten Formulierung dient der Robustheitssteigerung, vor allem bei Schiffsumströmungen mit hoher Froude-Zahl und brechenden Bugwellen. Eine neuartige globale Behandlung von geometrischen Nebenbedingungen und lokale (anisotrope) Filterfunktionen zur Kontrolle der Formänderungen unterstützen das Vorhaben. Die erstmalige Betrachtung der Schwimmlageänderung innerhalb der Prozesskette ist eine direkte Konsequenz der ganzheitlichen, praxistauglichen Optimierungsstrategie: starke, lokale Formänderungen haben einen direkten Einfluss auf die aktuelle Schwimmlage, weshalb diese zwingend für das finale Schiffsdesign mitberücksichtigt werden soll. Zur schnelleren Konvergenz des gesamten Prozesses sollen alternative Suchrichtungsstrategien untersucht und implementiert werden. Um die finale, auskonvergierte Form im schiffbaulichen Alltag zu nutzen, wird, ergänzend zur bestehenden CAD-freien Geometriemanipulation, ein Verfahren zum Rückführen der CAD-Parameterwerte entwickelt.

 

Ziele und Aufgaben

Um während des Entwurfsprozesses einen vertieften Einblick in systematische Zusammenhänge des Systems Schiff zu gewinnen, werden verschiedene Teilaspekte auf der Basis von Simulationen parametrisch untersucht, sodass im Anschluss eine automatische oder manuelle Optimierung möglich ist. Für hydrodynamische Fragestellungen werden oftmals effiziente Potenzialmethoden eingesetzt. Mit diesen Verfahren lassen sich jedoch nicht alle Strömungseigenschaften, insbesondere keine viskosen und turbulenten Phänomene, ausreichend beschrieben. Die Steigerung der verfügbaren Rechenleistung in den letzten beiden Jahrzehnten hat den Einsatz von höherwertigen Simulationsmethoden, die sich auf die Lösung der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) stützen, in der industriellen Praxis ermöglicht. Dieser Trend setzt sich seit einigen Jahren auch im Bereich der hydrodynamischen Optimierung von Schiffsformen durch.


Das übergeordnete Ziel des beantragten Vorhabens liegt in der Weiterentwicklung eines simulationsbasierten Verfahrens zur hydrodynamischen Optimierung von Schiffsrümpfen mit besonderem Augenmerk auf einen ganzheitlichen und robusten Optimierungsprozess, welcher im industriellen Tagesgeschäft zuverlässig anwendbar sein soll. Dabei sind die wesentlichen wissenschaftlichen Ziele:


  • die Nutzung von diffusen Mehrphasenmodellen,

  • die Einbeziehung der Schwimmlageänderung während des Optimierungsprozesses,

  • eine verbesserte globale Behandlung von geometrischen Rahmen- und Nebenbedingungen,

  • die Steigerung der Robustheit, Formqualität und Effizienz des Optimierungsprozesses sowie

  • die Rückführung von parameterfreien Optimierungsergebnissen in den CAD-Kontext.

Zusammen mit dem Partner Voith stehen innerhalb des Verbundhabens Dynamo Widerstandsoptimierungen von schnell verkehrenden Schiffen im Fokus der technischen Ziele.

 

Beispiel

Folgende Abbildung deutet neben der Sensitivitätsverteilung entlang des Schuffrumpfes auch die sich einstellende freie Oberfläche an. Es handelt sich um eine zeitlich auskonvergierte Rechnung bei realen Reynolds- und Froude Zahlen.

Finanzierung und Zusammenarbeit

Das Projekt wird von dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) unter dem Programm "Maritime Agenda 2025" gefördert (100% - 3 Jahre).

Industrial partner

 

 

VOITH Turbo GmbH & CO. KG

 

Personnel    

Niklas Kühl, Torben Mühlbach, Lucian Rotter, Thomas Rung