Hydro-elastische Simulation der Akustik von Schiff-Propeller-Konfigurationen mit und ohne Kavitation (Propeller / DU 405/13-1)

In jüngerer Zeit hat die von Schiffen ausgehende Lärmbelastung in den Ozeanen große Aufmerksamkeit seitens der entsprechenden Behörden erfahren. Es ist zu erwarten, dass die Schiffbau-industrie Maßnahmen ergreifen muss, um - bereits in der Entwurfsphase - dem Aspekt der Geräuschminderung gerecht zu werden und die zu erwartenden neuen Vorschriften zu erfüllen.

Ein numerischer Simulationsansatz kann von großer Bedeutung sein, um die Ursachen der Geräuschentwicklung zu identifizieren und geeignete Gegenmaßnahmen zu definieren. Es gibt in der Literatur bisher nur wenige Vorarbeiten zu dieser Thematik. Um diese Lücke zu schließen, wird eine enge Zusammenarbeit zwischen den Antragstellern vom Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen sowie dem Institut für Fluiddynamik und Schiffstheorie an der TUHH angestrebt. Es ist dabei das Ziel, die Geräuschentwicklung durch Schiffspropeller zu erforschen, da davon auszugehen ist, dass sie erheblich zur Lärmbelastung beiträgt. In der ersten Projektphase sollen zuverlässige Simulationsmethoden entwickelt werden, die in der zweiten Phase als Basis für eine systematische Verringerung des Geräuschpegels im Fernfeld dienen können.

Für die Analyse der Fernfeld-Geräuschentwicklung von Schiffspropellern bedarf es einer Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) in Kombination mit einer akustischen Analyse. Die Antragsteller planen daher, ein partitioniertes Lösungsverfahren zu entwickeln, bei dem spezielle Löser für jedes Teilfeld zum Einsatz kommen. Um den Simulations-aufwand zu minimieren, wird das Fluid durch einen auf der Potentialtheorie basierenden Randelemente-Löser simuliert. Der Einfluss der Schichtkavitation findet ebenfalls Berücksichtigung, da diese als Hauptursache für die Geräuschentwicklung im niedrigen Frequenzbereich gilt. Auf strukturmechanischer Seite wird der Einfluss des Schiffspropellers und des Schiffsrumpfes untersucht.

Schiffspropeller sind dünnwandige Strukturen, die im Betrieb große Verformungen erfahren können. Zur Simulation wird die Finite-Elemente-Methode hoher Ordnung weiterentwickelt, um Verschiebungen effizient berechnen zu können und das Locking-Problem zu vermeiden. Im Hinblick auf die Effizienz soll die akustische Analyse im Fernfeld mit Hilfe der Ffowcs Williams-Hawking-Gleichung (FWHE) erfolgen. Hierbei handelt es sich um einen neuen Ansatz im Umfeld von maritimen Anwendungen, vor allem im Zusammenhang mit der FSI. Aufgrund der Tatsache, dass die Simulationsmethoden der beteiligten Teilfelder des Gesamtproblems unterschiedlichen Zeitskalen unterliegen, gilt es, gestaffelte und parallele sub-cycling-Kopplungsverfahren zu entwickeln. Da die FWHE Ergebnisse des Fluid- und des Strukturlösers zur lokalen Emissionszeit nutzt, sollen außerdem die Auswirkungen verschiedener sub-cycling-Methoden auf die akustischen Ergebnisse untersucht werden.