Technische Universität Berlin
Institut für Land- und Seeverkehr
Diplomarbeit am Fachbereich Meerestechnik

Zwei- und dreiphasige Strömungsberechnung
zur Optimierung eines Ölbekämpfungsschiffes

von

Abu Amro, Mazen

Berlin, den 26.09.2001

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 4
    1.1 Übersicht ... 4
    1.2 Ziel der Arbeit ... 6

2 Fluiddynamische Grundlagen ... 7
    2.1 Stufen der Modellbildung ... 7
    2.2 Grundgleichungen der Strömungsmechanik ... 7
    2.3 Die RANS Gleichungen für Strömungen inkompressibler Fluide ... 10
    2.4 Turbulenzmodelle ... 12
    2.5 Wandfunktion ... 14
    2.6 Generierung der freien Oberfläche ... 16
        2.6.1 Allgemeine Methoden ... 16
        2.6.2 VOF Methode zur Berücksichtung der freien Oberfläche ... 16
    2.7 Euler-Langrange-Methode zur Ölmodellierung ... 18
    2.8 Numerische Aspekte ... 20
        2.8.1 Lösungsalgorithmen ... 20
        2.8.2 Differenzenquotienten (differencing schemes) ... 21
        2.8.3 Zeitschrittweite ... 23

3 Geometriemodellierung ... 24
    3.1 Bearbeitung der Geometrie ... 26
    3.2 Vorbereitung der Ölskimmergeometrie zur Gittergenerierung ... 27

4 Gittergenerierung ... 29
    4.1 Qualitätskriterien ... 29
    4.2 Gittertopologie ... 29
    4.3 Methoden der Gittergenerierung ... 31
    4.4 Festlegung der Blockstruktur ... 33
        4.4.1 Festlegung der Zellaufteilung ... 35
        4.4.2 Definition der Randbedingungen ... 36
        4.4.3 Formatiertes abspeichern des Gitters ... 36
    4.5 Exportieren des Gitters mit der GID-CFD Schnittstelle ... 37

5 Numerische Strömungsberechnungen ... 39
    5.1 Randbedingungen ... 41
    5.2 Anfangsbedingungen ... 43
    5.3 Stationäre Strömung (einphasig)  ... 43
        5.3.1 Eingabeparameter der stationären Strömung ... 44
        5.3.2 Auswertung und Ergebnisdiskussion der stationären Strömung ... 44
    5.4 CFD Analyse und Validation der instationären Strömung (zweiphasig)  ... 48
        5.4.1 Festlegung der Parameter der numerischen Simulation ... 48
        5.4.2 Ergebnisse und Gittersensitivität ... 50
        5.4.3 Vergleich der Ergebnisse mit experimentellen Daten ... 51
    5.5 Untersuchung des Ölskimmers ohne Hinterschiff (zweiphasig)  ... 52
    5.6 Untersuchung des Ölskimmers mit Hinterschiff ... 56
        5.6.1 Gittergenerierung des Ölskimmers mit Hinterschiff ... 57
        5.6.2 Ergebnisse bei unterschiedlichen geometrischen Verhältnissen ... 58
    5.7 Instationäre Strömung (mit Öl)  ... 64
        5.7.1 Eingabeparameter der dreiphasigen Strömung ... 64
        5.7.2 Ergebnisse mit verschieden Öl-Sorten ... 66
    5.8 3D-Strömung mit Schiff (tiefgetaucht)  ... 70
    5.9 Gittergenerierung der 3D-Strömung ... 72
        5.9.1 Gittersensitivität ... 72
        5.9.2 Auswertung der Berechnungen ... 73

6 Zusammenfassung und Ausblick ... 77

7 Literaturverzeichnis ... 79

8 Nomenklatur ... 81

9 Abbildungsverzeichnis ... 84

10 Tabellenverzeichnis ... 86

Anhang A - Untersuchungen im Wellenkanal für die 2D Plexiglasversuche ... 87
Anhang B . Viskosität, Temperaturdiagramm ... 91
Anhang C - Rand und Anfangsbedingungen für den Ölskimmer ... 92
Anhang D - Star-CD-Command-File ... 97

1 Einleitung
1.1 Übersicht
Trotz verstärkter Sicherheitsvorschriften und moderner Navigationssysteme für Tankerschiffe hört man immer wieder von Tankerunglücken, sei es in der Nordsee oder woanders. Spätestens seit dem Unglück der Pallas im Herbst 1998 ist klar geworden, dass die in der Nordsee stationierten herkömmlichen Ölabschöpfungssysteme [11] nur unzureichend in der Lage sind, erfolgreich insbesondere im nahen Küstenbereichen und in hohem Seegang zu operieren. Am Institut für Land- und Seeverkehr .ILS. im Fachgebiet Meerestechnik der TU Berlin wird das Problem der Seegangstauglichkeit von Ölbekämpfungssystemen umfassend diskutiert und zur Zeit im Rahmen eines BMBF Projektes ein neues seegangunabhängiges Abschöpfungsprinzip erarbeitet. Das Funktionsprinzip (Abb. 1.1) basiert darauf, dass die Ölschicht durch den Skimmerbug nach unten gedrückt wird (also verwirbelungsarm), um dort abgesaugt zu werden. Über eine justierbare Separationsklinge wird das ölhaltige Wasser in das Innere des Skimmers geleitet und einer weiteren Separation zugeführt. Um eine Optimierung für die Separationsklinge und die Skimmerbugsform zu ermöglichen, muss eine Methode gefunden werden, die das gesamte Strömungsgebiet numerisch beschreibt.

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Abb. 1.1: Prinzipskizze des seegangsunabhängigen Ölabschäpfungssystem

Eine Methode, die die Wasseroberfläche, die Ölschicht und das hydrodynamische Verhalten des neuen Ölbekämpfungssystems beschreibt, ist eine CFD-Methode (Computational Fluid Dynamics). Die numerischen Simulationen mit der CFD-Methode bieten hier Ansätze, die auf den RANS-Gleichungen (Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations) und der VOF-Methode (Volume of Fluid Methods) basieren. Zwar sind CFD-Methoden noch nicht so weit, dass sie die traditionellen Schleppversuche der Versuchanstalten gänzlich ersetzen können, was auch in absehbarerer Zeit wohl nicht geschehen wird, aber sie bieten zusätzlich zu den Modellversuchen die Chance, zeitaufwendige Modellversuche zum Teil zu ersetzen.
Mit Hilfe der CFD-Methoden ist es heute möglich, verschiedene Formvariationen zu vergleichen, so dass im späteren Versuch nur noch die beste errechnete Form untersucht wird, um exakte Ergebnisse zu erhalten. Mit den CFD-Methoden kann man lokale Strömungserscheinungen, die mit Messungen nur schwer oder überhaupt nicht zu erfassen sind, im Detail untersuchen.
Die CFD-Berechnungsverfahren unterscheiden sich in ihren physikalischen Ansätzen. Einige Verfahren lösen lediglich die vereinfachten Strömungsgleichungen und vernachlässigen dabei die Zähigkeit und Turbulenz der Strömung:

• 
  Potentialtheoretische Methoden (reibungsfrei)
  

Andere Methoden, die hier verwendet werden, lösen zur Ermittlung der Strömungszustandsgrößen die zeitlich gemittelten Navie-Stokes Gleichungen (RANSE: Reynolds Averaged Navier Stokes Equations) und berechnen somit turbulente viskose Strömungen:

• 
  Navier-Stokes-Löser (viskos)
  

Eine neue Methode, die mit der Berechnung von viskosen Strömungen gekoppelt wird und zur Berechnung der freien Oberflächen dient, ist die VOF-Methode, die zur Berücksichtigung von Ölpartikel zusätzlich mit einer sog. Euler-Langrange-Methode gekoppelt werden kann.

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Abb. 1.2: Ölbekämpfungsschiff MPOSS mit integriertem Skimmer

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Abb. 1.3: Studie eines neuartigen Ölbekämpfungsschiffes

1.2 Ziel der Arbeit
In dieser Arbeit soll ein Verfahren, das im gesamten Strömungsgebiet die gekoppelten RANS Gleichungen löst, verwendet werden. Mit Hilfe dieses Verfahrens wird das neue Skimmingsverfahren mit und ohne den Einfluss der freien Oberfläche untersucht.

Ziel der Diplomarbeit im Bereich der numerischen Strömungssimulation ist, verschiedene 2D Skimmerformen zu untersuchen, die später in ein geeignetes Trägersystem (z.B. Multi-Purpose-Oil-Skimming-System - MPOSS Abb. 1.2 oder Katamaran) eingebaut werden. Die Informationen, die von den CFD-Berechnungen gewonnen werden, sind nicht nur die Umströmung des Ölabschöpfsystems sondern auch lokale Strömungsphänomene in der Einlauf- und Ablaufzone. Durch diese Informationen kann das Verhältnis zwischen Einlauf- und Ablassöffnung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten systematisch variiert werden, um einen hohen Wirkungsgrad der Ölabschöpfung zu erzielen. Anschließend werden innerhalb des Strömungsgebiets Ölpartikel (Euler-Langrange-Verfahren) definiert, die die Bahn des Ölfilmes beschreiben. Darüber hinaus wird der Ölskimmer in einem 3D Trägersystem (tiefgetaucht) untersucht, um das hydrodynamische Verhalten des ganzen Systems zu studieren.

Es wird hinterfragt, ob und wie exakt viskose Strömungslöser im Vergleich zu Messungen das Wellenbild und die Wirbelbildung vor und hinter dem Ölskimmerssystem bei der praktischen Anwendung wiedergeben können. Dabei kommt als viskoser Löser das kommerzielle Programm Star-CD (Version 3100A) zum Einsatz.

In der vorliegenden Diplomarbeit werden die Erfahrungen und die Ergebnisse bei der Geometriemodellierung, der Gittergenerierung und der Berechnung mit und ohne freie Oberfläche dargestellt. Es wird gezeigt, dass die Geometrie des untersuchten Ölskimmers mit blockstrukturiertem Gitter einfach und schnell mit Hilfe eines Gittergenerierungsprogramms nachgebildet werden kann. Weiterhin wird dargestellt, wie die Anzahl der Knoten und die Dichteverteilung des Gitternetzes die Ergebnisse beeinflussen.

2 Fluiddynamische Grundlagen
2.1 Stufen der Modellbildung
Die zentrale Aufgabe dieser Arbeit ist die Möglichkeit, eine exakte Beschreibung des Skimmingsverfahrens mit Hilfe numerischer Simulation (CFD) besser verstehen zu können und damit Erkenntnisse über das Verhalten des Systems unter bestimmten Rahmenbedingungen (Glattwasser, mit Ölpartikel und ohne Ölpartikel) zu erlangen.

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