Optimierung eines seegangsunabhängigen Ölskimmers durch numerische und experimentelle Analysen

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Kurzfassung

Abstract

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung und Übersicht
1.1 Übersicht
1.2 Stand der Forschung
1.2.1 Loch-im-Wasser-Prinzip
1.2.2 Mechanischer Transport
1.2.3 Forschungsprojekte
1.3 Ziel der Arbeit

2 CFD-Verfahren
2.1 Grundlagen der numerischen Simulationen
2.1.1 Strömungsmechanische Grundgleichungen
2.1.2 Turbulenzmodellierung
2.1.3 Reynolds-Spannungsmodell
2.1.4 Wirbelviskositätsmodelle
2.2 Mehrphasenströmung (Luft/Öl/Wasser)
2.3 Diskretisierung der Differentialgleichungen
2.4 Spezielle Modellbildung für den Ölskimmer
2.4.1 Geometriemodellierung
2.4.2 Gittergenerierung
2.4.3 Ölmodellierung

3 Numerische Analyse
3.1 Zweiphasige Strömungsberechnung (AS I)
3.1.1 Optimierung der Durchflussrate am Klingenspalt
3.1.2 Strömungsvisualisierung im Moonpool des SOS
3.1.3 Numerische Analyse der Strömungsverhältnisse des in das MPOSS integrierten SOS
3.1.4 Numerische Analyse der Sloshingbewegungen
3.2 Dreiphasige Strömungsberechnung (AS II)
3.2.1 Validierung der Strömungsberechnungen.
3.2.2 Numerische Berechnungen mit Mineralölen
3.2.3 Optimierung der Heckform des Trägerschiffs
3.3 Dreiphasige Strömungsberechnung mit Seegang
3.3.1 Randbedingungen der Strömungsberechnungen mit Seegang
3.3.2 Validierung der im numerischen Kanal generierten Seegänge
3.3.3 Durchführung der numerischen Analyse mit SOS und Seegang

4 Experimentelle Analyse
4.1 Analyse des Systemverhaltens im Seegang
4.1.1 Versuchsaufbau
4.1.2 MPOSS- und Skimmermodell
4.1.3 Durchführung und Auswertung der Versuche
4.2 Seegangsversuche mit umweltverträglichem Öl
4.2.1 Versuchsprogramm.
4.2.2 Durchführung der Ölversuche
4.2.3 Analyse der Maßstabseffekte
4.3 Seegangsversuche mit Mineralölen
4.4 Versuche mit einem neuen Trägerschiff

5 Schlussfolgerungen

5.1 Schlussfolgerungen

6 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Nomenklatur

A Numerische Analyse

A.1 Euler-Lagrange-Methode zur Visualisierung der Strömung

A.2 Dauer einer CFD-Rechnung

B Experimente Analyse

B.1 Strömungsvisualisierung am Ölskimmer

C Bilder und Tabellen

Abbildungsverzeichnis

1.1 Anzahl der Tankerkatastrophen mit über 700t ausgelaufenen Öls
(links), Menge des weltweit ausgelaufenen Öls (rechts)

1.2 Darstellung der Abbauprozesse von ausgelaufenem Öl (links), Sa- tellitenbild des Ölteppichs der vor der Küste Spaniens gesunkenen “Prestige“ (rechts, Quelle: http://www.envisat.esa.int/).

1.3 Prinzipskizze des ursprünglichen Konzept des seegangsunabhängigen Oel-Skimmers..

1.4 Prinzipskizze des voroptimierten SOS

1.5 Funktionsprinzip des optimierten seegangsunabhängigen Oel-Skim- mers “SOS“ im Seegang

1.6 Klassifizierung der grundlegenden Abschöpfprinzipien

1.7 Klappschiff “Bottsand“ während des Einsatzes (links), Ölwehr (rechts)

1.8 Ölunfallbekämpfungsschiffe “Arkona“ (links) und “Neuwerk“ (rechts), Schwenkarm der “Neuwerk“ (unten rechts)

1.9 Schwenkarm der “Neuwerk“ (links), Wellenreflexionen und -brechungen zwischen Schwenkarm und Bordwand.

1.10 Westensee während des Einsatzes (links), Funktionsprinzip des MOD (Idealfall, rechts).

1.11 Ursprüngliche Ausführung des MOD mit sich ausbildendem Wirbel vor der Rampe (links), mittels Vorwehr optimierte Variante (rechts)

1.12 Ölunfallbekämpfungsschiffe “Knechtsand“ (links) und “MPOSS“ (rechts)

1.13 Schematische Darstellung des Ölskimmers im Seegang (oben), Mo- dell des Skimmereinheit während einer Versuchsreihe im Wellen- kanal (unten).

1.14 Schematische Darstellung des Einsatzes der “Intelligenten Ölbar- riere“

1.15 Der von Alstom Marine entworfene Trimaran (links) ist mit einem mechanischen Transportsystem (rechts) ausgestattet

1.16 Schematische Darstellung des zukünftigen MPOSS Schiffs mit in- tegriertem SOS..

1.17 Problembereiche bei der Entwicklung des SOS sowie Lösungsansätze zur Steigerung der Leistungsfähigkeit..

2.1 Phasenübergang von Luft und Wasser (links), verschiedene Volume Fraction Variablen in den Gitterzellen (rechts)

2.2 Eindimensionales Problem zur Veranschaulichung des Druckkor- rekturverfahrens

2.3 Schematische Darstellung des für die CFD-Berechnungen entwickeln- den numerischen Kanals

2.4 Seegangsgenerierung durch bewegte Wand “moving-mesh“ (links) oder durch veränderliche Einströmgeschwindigkeiten am Einlass (rechts)

2.5 Schematische Darstellung des generierten Seegangs mit paralleler Anströmung

2.6 Schnitt durch das MPOSS-Schiff mit integriertem Skimmer.

2.7 Schnitt durch die Mittschiffsebene des Trägerschiffs MPOSS mit integrierten Ölskimmers (Großversion).

2.8 Diskretisierung des Ölskimmers - Hybridgitter mit lokaler Gitter- verfeinerung

2.9 Lokale Verfeinerung der Gitterzellen mit dreiphasiger Strömung

3.1 Schematische Darstellung der Arbeitsschritte der CFD-Analysen

3.2 Die bei den zweiphasigen Strömungsberechnungen untersuchte Skim- mer-Geometrie

3.3 Benetzte Länge am Unterschiff des Bugsegments

3.4 Durchflussrate am Klingenspalt als Funktion der Zeit im Modell- maßstab 1:15.

3.5 Strömungsbahnen der leichten (links) und schweren (rechts) Ölpar- tikel im Moonpool bei Λ = 4 und v = 0,7 m/s.

3.6 Vergleich der Ergebnisse der CFD-Berechnungen mit den Ergeb- nissen aus den Schleppversuchen für Λ = 0,5 (oben) und Λ = (unten) bei v = 0,7 m/s - Validierung durch Experimente, die Ausführlich in Abschnitt 3.2.1 und in Kapitel 4 vorgestellt werden

3.7 Schematische Darstellung des MPOSS-Schiffs mit integriertem SOS, die Bemaßungen entsprechen der Großversion (oben); das für die numerische Analyse von MPOSS mit SOS verwendete Rechengitter (unten)

3.8 Einströmungsgeschwindigkeiten am Klingenspalt bei Λ = 4 (links), Durchflussrate q mit ca. 80 % des auf die Einheitsbreite bezogenen Zustroms Q0...

3.9 Schematische Darstellung der Sloshingbewegung im Moonpool

3.10 Initialisierung des Rechengebiets mit und ohne Beschleunigungsphase

3.11 “Numerisch“ erzeugte Sloshingbewegung im Moonpool bei einer Fahrt- geschwindigkeit von v0... = 0, 3 m/s

3.12 Schematische Darstellung des Moonpools mit und ohne CUSP und Böschung (oben links), Einfluss von CUSP und Böschung auf die Durchflussrate am Klingenspalt bei verschiedenen Fahrtgeschwin- digkeiten.

3.13 Vergleich der einfachen (oben) mit der optimierten Moonpool-Geo- metrie (unten) hinsichtlich der Wirbelstabilisierung hinter der Ab- risskante.

3.14 Schematische Darstellung des untersuchten Skimmers mit CUSP und Böschung in Glattwasser mit. Ölfilm (Maßstab 1:15)

3.15 Wellenkanal der TU Berlin mit eingefärbtem Speiseöl (ρ = 922kg m und µ = 0, 06 P a · s)

3.16 Markiertes Rechengebiet, in dem der Wirkungsgrad ermittelt wird

3.17 Vergleich der CFD-Ergebnisse mit den Ergebnissen der Schleppver- suche unter Verwendung von gefärbtem Speiseöl (ρ = 922 kg/m und µ = 0.06 Pa·s), Experimente vgl. siehe Kapitel 4.

3.18 Position der Kamera (oben), Wirbelbildung hinter dem Bug bei den numerischen (links) und experimentellen Analysen (rechts), siehe auch Kapitel 4...

3.19 Moonpool des Skimmers mit einfacher (links) und optimierter Se- parationsklinge (rechts)kg

3.20 Vergleich der CFD-Ergebnisse mit Dieselöl (ρ = 830 und m µ = 0,0034 Pa· s) bei unterschiedlichen Fahrtgeschwindigkeiten (Großversion) mit einfacher und optimierter Separationsklinge

3.21 Vergleich der Ergebnisse der CFD-Analyse mit einfacher (oben) und optimierter Separationsklinge (unten) bei einer Fahrtgeschwin- digkeit von 4,5 kn und einer Simulationszeit von 28 s (Großversion)

3.22 Vergleich der CFD-Ergebnisse mit Schweröl (ρ = 960kgund m µ = 0,048 Pa · s) bei unterschiedlichen Fahrtgeschwindigkeiten (Großversion) mit einfacher und optimierter Separationsklinge

3.23 Mittels CFD berechnete Strömungsbilder im Moonpool mit opti- mierter Klinge für Schweröl (ρ = 960kgm3 , µ = 0,048 Pa· s) bei einer Fahrtgeschwindigkeit von 3 kn (links) bzw. 4,5 kn (rechts) - jeweils bei einer Simulationszeit von t = 33 s (Großversion)

3.24 Vergleich des Wirkungsgrads für Diesel- und Schweröl bei unter- schiedlichen Fahrtgeschwindigkeiten (in Großversion) mit optimier- ter Separationsklinge

3.25 Moonpool mit MPOSS-Heckform (links), verbesserte Form mit senk- rechtem Heck (rechts)..

3.26 Vergleich der Ergebnisse für Schweröl (ρ = 960 kg/m3) mit MPOSS- und verbessertem Heck bei unterschiedlichen Fahrtgeschwindigkei- ten (Großversion)

3.27 Ölpartikelbahnen (Schweröl, ρ = 960 kg/m3) sowie Strömungslinien im Moonpool beim MPOSS-Heck (oben) und bei der verbesserten Heckform (unten)

3.28 Gegenüberstellung der durch schrittweise Optimierung der Moonpool- Geometrie erhaltenen numerischen Ergebnisse (Schweröl, ρ = kg/m3)

3.29 Der untersuchte Skimmer mit Ölfilm und Seegang (AS III)

3.30 Spittingeffekte während der Schleppversuche bei Wellenhöhen von H = 0,5 m (links) und H = 1 m (rechts) und einer Fahrtgeschwin- digkeit von v = 2,25 kn (Großversion)

3.31 Schematische Darstellung des numerischen Wellenkanals mit See- gang (ohne SOS)

3.32 Wellenausbreitung im numerischen Kanal (oben), Vergleich der numerischen Seegänge mit experimentellen Daten bei Wellenhöhen von H = 0,033 m (unten links) und H = 0,066 m (unten rechts), jeweils mit T = 0,8 s

3.33 Schematische Darstellung des numerischen Wellenkanals mit SOS und Seegang

3.34 Vergleich der während der CFD-Analysen auftretenden Spittingef- fekte (oben und unten links) mit den Beobachtungen während der Modellversuche (unten rechts) bei einer Fahrtgeschwindigkeit von 2,25 kn (H = 1 m und T = 3 s) (Großversion)

3.35 Verteilung der Gesamtölmenge (Diesel- und Schweröl) bei unter- schiedlichen Fahrtgeschwindigkeiten und bei einer Wellenhöhe von H = 0,5 m und T = 3 s...

3.36 Durch Spitting aufgestautes Dieselöl vor dem Bug bei v = 1,5 kn (oben) und abgeskimmtes Dieselöl im Moonpool des Skimmers bei v = 3 kn (unten).

3.37 Verteilung der Gesamtölmenge bei unterschiedlichen Fahrtgeschwin- digkeiten und einer Wellenhöhe von H = 1 m und T = 3 s

3.38 Durch Spitting verursachte Verwirbelungen vor und unter dem Bug- segment (oben), unter der Separationsklinge hinweg strömendes Öl (unten), jeweils bei v = 2,25 kn

3.39 Position der Bojen in der Nordsee (Deutsche Bucht)

4.1 Maße des Wellenkanals (links), Ansicht des Wellenkanals der TU Berlin (rechts) 80m

4.2 Schematische Darstellung des MPOSS Schiffs mit integriertem Öl- skimmer (links), Ansicht des Trägerschiffmodells mit Sichtfenster im Modellmaßstab 1:15 (rechts).

4.3 CAD-Zeichnung des Skimmermodells (links), Ansicht des Skim- mermodells im Maßstab 1:15 (rechts)

4.4 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus mit MPOSS-Träger- schiff und gelenkig gekoppeltem Skimmer, W bezeichnet Weggeber und P Pegel

4.5 MPOSS-Trägerschiff mit gelenkig gekoppeltem Skimmer (links), Schematische Darstellung der gelenkigen Aufhängung (rechts)

4.6 Betrag der Übertragungsfunktionen der Tauch- (links) und Stampf- bewegung (rechts) des Trägerschiffs sowie des gelenkig gekoppelten Skimmers (in Großversion)

4.7 Position des für die Seegangsmessung angebrachten Pegels

4.8 Seegangsspektrum mit und ohne MPOSS Trägerschiff (in Großver- sion)

4.9 Betrag der Übertragungsfunktionen der Tauch- s3a(links) und Stampf- bewegung s5a (rechts) des starren Systems (Großversion)

4.10 Wellenkanal der TU Berlin mit 80 l eingefärbtem Speiseöl

4.11 Wahrscheinlichkeitsverteilung von Seegängen - Registrierungen der Bojen Außenelbe (links) und Nordseeboje II (rechts) im Jahr 2004

4.12 Seegangsspektrum der irregulären Seegänge (Großversion)

4.13 Die bei den Ölversuchen analysierten Skimmerkonfigurationen

4.14 Das MPOSS-Modell (Maßstab 1:15) im Wellenkanal der Techni- schen Universität Berlin

4.15 Ansicht der Skimmerkonfiguration mit Kreissegmentböschung und speziellen Setztanks.

4.16 Wirkungsgrad des voroptimierten Systems bei einer Fahrtgeschwin- digkeit von 2,25 kn (Großversion)

4.17 Positionen der angebrachten Unterwasserkameras (oben), Strömungs- bilder im Moonpool (Bilder 1-4) und unter dem Skimmer (1a-4a) bei einem irregulären Seegang mit Hs = 0,5 m, T0 = 4 s und v = 2,25 kn (Großversion)

4.18 Vermeidung der freien Wasseroberfläche im Moonpool durch teil- weise getauchte Struktur mit integrierter Kreiselpumpe

4.19 Integration einer CUSP-Form im Moonpool zur Stabilisierung des Wirbels hinter den Bug und zur Sicherung des abgeskimmten Öls

4.20 Vergleich der Wirkungsgrade des Systems mit und ohne CUSP bei einer Fahrtgeschwindigkeit von 2,25 kn (Großversion)

4.21 Skimmerkonfiguration mit CUSP und vier verschiedenen Steigun- gen der Überlaufböschung.

4.22 Wirkungsgrad der Ölversuche mit CUSP in Abhängigkeit von See- gang, Fahrtgeschwindigkeit und Steigung der Böschung

4.23 MPOSS-Modell im Maßstab 1:15 (links) und 1:9 (rechts)..

4.24 Im Wellenkanal gemessene Energiedichtespektren der ausgewählten Seegänge im Maßstab 1:15 (links) bzw. 1:9 (rechts)

4.25 Vergleich der Ergebnisse des Wirkungsgrads bei der Durchführung der Versuche mit einem kleinen (1:15) und großen Modellschiff (1:9) bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Seegängen (Groß- version)...

4.26 Aufbau der Ölabsaugvorrichtung, welche das Öl mittels Unterdruck (Seitenkanal-Pumpe) in zwei Sammelbehälter fördert..

4.27 Schematische Darstellung des Moonpools mit den drei untersuch- ten Heck-Formen (oben), Aufnahmen der Heck-Segmente im Mo-
dellmaßstab 1:9 (unten)kg

4.28 Wirkungsgrad des SOS in leichtem Hydrauliköl (ρ = 852 m3 , µ = 0,0188 Pa · s) für das MPOSS-Heck und zwei verschiedene Böschungseinstellungen... kg

4.29 Wirkungsgrad des SOS in leichtem Hydrauliköl (ρ = 852 m3 , µ = 0, 0188 P a · s) für die verbesserte Heck-Form und zwei verschiedene Böschungseinstellungen.

4.30 Aufnahme des Trägerschiffs MPOSS mit SOS im Maßstab 1:9 währ- end einer Versuchsfahrt.

4.31 Vergleich der Resultate aus den Seegangsversuchen mit leichtem Öl (ρ = 852kgm3 , µ = 0,0188 Pa · s) für die drei Heck-Form

4.32 Positionen der Mini-Kameras (oben), Standbilder aus Videoaufzei- chungen der Strömungsverhältnisse im Moonpool bei Glattwasser, v0 = 3 kn (Großversion, unten)

4.33 Standbilder aus Videoaufzeichungen der Strömungsverhältnisse im Moonpool für das MPOSS-Heck (oben) und die optimierte Heck- Form (unten) bei Seegang (Hs = 2 m,T0 = 6 s, v0 = 3 kn (Großversion))

4.34 Vergrößerte Darstellung des in den Ölsumpf schwappenden Öls . .

4.35 Vergleich der Versuchsergebnisse für die optimierte Heck-Form in leichtem Öl und Ölmix bei v0 = 2, 25 kn (Großversion)..

4.36 Im Wellenkanal gemessene Energiedichtespektren der ausgewählten Seegänge im Maßstab 1:22

4.37 Vergleich der Versuchsergebnisse für das MPOSS und das 80 m lange Trägerschiff in Abhängigkeit von Seegang und Fahrtgeschwin- digkeit (Großversion)

4.38 Vergleich der Versuchsergebnisse für die optimierte Heck-Form in leichtem Öl und Ölmix bei v0 = 3, 75 kn..

5.1 Benetzte Länge am Unterschiff des Bugsegments..

5.2 Einfache Moonpool-Geometrie (links), Moonpool mit integriertem CUSP (rechts).

5.3 Moonpool-Geometrie mit CUSP (links), Integration einer höhenver- stellbaren Kreissegmentböschung zur gezielten Dämpfung der Sloshing- effekte (rechts).

5.4 Moonpool des SOS mit MPOSS-Heck (links), optimierte Heck-Form mit CUSP und Böschung (rechts)...

5.5 Prinzipielle Darstellung des optimierten seegangsunabhängigen Oel- Skimmers (SOS)..

6.1 Studie eines großen Ölunfallbekämpfungsschiffs (80 m lang) mit integriertem “SOS“..

6.2 Generalplan des Futura Tankers mit schematisch integriertem SOS (oben), Foto eines Futura Schiffs (unten)..

6.3 Aufnahmen des Unterwasserbereichs eines Futura Schiffs.

6.4 Schematische Darstellung der zum Moonpool konvertierten Öltanks

A.1 Bewegung einer Partikel im Strömungsgebiet..

B.1 Bildausschnitt einer Videoaufnahme quer zur Strömung im Sepa- rationsbereich für den Skimmerbug ohne Separationsklinge

B.2 Bildausschnitt einer Videoaufnahme quer zur Strömung im Sepa- rationsbereich für den Skimmer mit Separationsklinge in verschie- denen Längen.

B.3 Bildausschnitt einer Videoaufnahme quer zur Strömung im Sepa- rationsbereich für den Skimmer ohne Separationsklinge, aber mit verlängerter Strömungsabrisskante und Beruhigungsgebiet

B.4 Bildausschnitt einer Videoaufnahme quer zur Strömung im Separa- tionsbereich für den Skimmer mit verlängerter Strömungsabrisskante und Beruhigungsgebiet sowie kurzer Separationsklinge...

B.5 Bildausschnitt einer Videoaufnahme quer zur Strömung im Sepa- rationsbereich für den Skimmer mit doppelter Separationsklinge

B.6 Bildausschnitt einer Videoaufnahme quer zur Strömung im Sepa- rationsbereich mit einem angestellten Flügel als Separationsklinge

C.1 Versuchsaufbau mit MPOSS und SOS “Modellschiff im Maßstab 1:15“ (oben links), angebrachte Weggeber zur Ermittlung der Sy-stemsbewegung im Seegang (oben rechts), Aufbau der Messtechnik

zum Messen und Steuern der Seegangsversuche (unten).

C.2 Schleppversuche durch einen Ölfilm im Maßstab 1:15 (oben), Auf- fangbehälter für abgeskimmtes Öl (unten)

C.3 Austausch der Hecksegmente “Modellschiff im Maßstab 1:9“ (oben), Schleppfahrt im Seegang (unten).

C.4 Reinigungsarbeiten im Wellenkanal nach den Ölversuchen (oben), gereinigter und neu angestrichener Wellenkanal (unten).

C.5 Seegangsmessungen der Bojen Außenelbe (oben) und Nordseeboje II (unten).

Tabellenverzeichnis

3.1 Seegangsparameter und Fahrtgeschwindigkeiten für die numerische Analyse (jeweils in Großversion).

4.1 Physikalische Stoffeigenschaften verschiedener Ölsorten bei Raum- temperatur..

4.2 Übersicht der für die Modellversuche ausgewählten Seegänge .

4.3 Versuchsparameter der durchgeführten Versuche mit verstellbarer Böschung (bereits auf die Großausführung umgerechnet).

A.1 Dauer einer CFD-Rechnung mit einer 3,4 GHz Rechner und einem

Gitter mit ca. 150.000 Knoten

Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Meerestechnik der Technischen Universität Berlin. An dieser Stelle möchte ich mich bei all denen bedanken, die mich während dieser Forschungsarbeit begleitet und unterstützt haben. Einen ganz besonderen Dank möchte ich dabei Herrn Prof. Dr.-Ing. Günther Clauss aussprechen. Seine fach- lichen Ratschläge, die ausgezeichnete Betreuung und die Schaffung des geeigne- ten Umfelds waren eine wichtige Unterstützung bei der Erstellung dieser Arbeit. Sowohl sein Vertrauen als auch die Übertragung von Verantwortung motivierte stets zu kreativem Arbeiten. Weiterhin bedanke ich mich bei Herrn Prof. Dr.- Ing. Paul Thamsen für die Begutachtung der Arbeit und dem Vorsitzenden des Prüfungsausschusses Herrn Prof. Dr.-Ing. Jürgen Siegmann.

Allen Mitarbeitern des Fachgebietes Meerestechnik am Institut für Land- und Seeverkehr bin ich für die Unterstützung in den zurückliegenden Jahren zu Dank verpflichtet. Namentlich danke ich Frau Kornelia Tietze für die administrative Unterstützung während der Bearbeitung der zurückliegenden Arbeit. Den Her- ren Kowalski, Brandes, Longerich und Bernt bin ich für den Bau unzähliger hoch- wertiger Versuchsmodelle sowie für die engagierte und kooperative Mitarbeit zu Dank verpflichtet. Ganz besonderer Dank gilt ebenfalls den Herren Dipl.-Ing. Sa- scha Kosleck und Dipl.-Ing Florian Sprenger für die tatkräftige Unterstützung sowohl während der Versuchsphasen als auch bei der Zusammenstellung dieser Arbeit. Weiterhin möchte ich mich bei allen studentischen Mitarbeitern, die mich ebenfalls während meiner Forschungsarbeit begleitet haben, herzlich bedanken.

Der Autor dankt dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und Projekt Träger Jülich (PTJ), durch die sein wissenschaftliches Arbeiten überhaupt erst ermöglicht wurde. Zu guter letzt möchte ich meiner Frau Souhad, meinen Eltern und meiner gesamten Familie danken, die mir stets Motivation gespendet haben und mir menschliche Rückendeckung gaben.

Mazen Abu Amro — Berlin, Dezember 2006

Kurzfassung

Diese Dissertation präsentiert die Optimierung des (weitgehend) seegangsunabhängigen Oel-Skimmers SOS durch numerische und experimentelle Analysen. Hierbei wird die Leistungsfähigkeit des SOS bei der Bekämpfung von Ölunfällen auf hoher See untersucht. Bei diesen Einsätzen - insbesondere bei rauem Seegang - weist der SOS einen hohen Wirkungsgrad gegenüber bisher eingesetzten Ölunfallbekämpfungssystemen auf.

Der SOS besitzt keine beweglichen Teile und besteht aus einem Moonpool ( Ölauffangbecken) und einem Ponton (Bugsegment), welcher über die im See- gang heftig bewegte, ölverschmutzte Wasseroberfläche gleitet. Hierbei strömt die Ölschicht unter den Ponton auf eine im hinteren Bereich quer laufende Separa- tionsklinge zu, die für eine Trennung von Öl und Wasser sorgt und das Ölauf- fangbecken von der Wellenwirkung abschirmt. Durch die Fahrtgeschwindigkeit entsteht an der Hinterkante des Bugsegments ein Wirbel, der die einströmenden Ölpartikel zusätzlich in Richtung der Wasseroberfläche des Moonpools beschleu- nigt. Das im Moonpool aufschwimmende Öl wird durch Sloshingbewegungen, die durch Schiffsbewegungen im Seegang hervorgerufen werden, über eine justierba- re Böschung in einen Setztank (Ölsumpf) befördert, von wo es in konzentrierter Form abgepumpt wird.

Die ersten Untersuchungen haben gezeigt, dass zur Optimierung des SOS zahl- reiche Versuche mit verschiedenen Geometrien sowohl in Glattwasser als auch im Seegang erforderlich sind. Um den für die Versuche erforderlichen Zeit- und Ko- stenaufwand zu minimieren, werden CFD-Verfahren (Computational Fluid Dynam- ics) zur Analyse der komplexen Strömungsvorgänge um den Skimmer und im Moonpool eingesetzt. Hierbei zeigen die numerischen Analysen, dass der Wider- stand an der Einlassöffnung des Moonpools minimal sein muss, um einen konti- nuierlichen Durchfluss gewährleisten zu können. Ferner wird nachgewiesen, dass die Wirbel im Moonpool durch sog. CUSP-Formen trotz Sloshingbewegungen stabilisiert werden.

Aufbauend auf den numerischen Untersuchungen wird der SOS in den Modell- maßstäben 1:15 und 1:9 in ein Ölunfallbekämpfungsschiff integriert. Im Rahmen von Schleppversuchen im Wellenkanal wird das dynamische Seegangsverhalten des Gesamtsystems (Trägerschiff + SOS) analysiert und optimiert. Die Ergebnis- se verdeutlichen, dass ein fest integrierter Skimmer (keine beweglichen Teile) im Hinblick auf das Einsatzspektrum des Gesamtsystems - insbesondere im Seegang - einer gelenkigen Verbindung zwischen Schiff und Skimmer vorzuziehen ist.

Anschließend wird der fest integrierte sos mit verschiedenen ölsorten in irregulären seegängen und bei unterschiedlichen fahrtgeschwindigkeiten analy- siert und hinsichtlich des wirkungsgrads optimiert. während der versuche zeigt sich, dass im moonpool sloshingeffekte entstehen, welche durch die schiffsbe- wegungen im seegang hervorgerufen werden. durch integration von kreisseg- mentböschungen lassen sich die sloshingbewegungen gezielt dämpfen und für den transport des öls in setztanks nutzen, ohne dass hierzu mechanisch bewegte teil- systeme nötig sind. die anpassung der dämpfung an die jeweils herrschenden see- gangsbedingungen wird über eine höhenverstellung der kreissegmentböschungen realisiert. die gewonnenen ergebnisse der ölversuche zeigen, dass der optimierte skimmer bei glattwasser und im seegang einen wirkungsgrad von 70 % bis 95 % erzielt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern neue Erkenntnisse bezüglich der Wechsel- wirkungen zwischen Ölskimmer und Welle sowie deren Einfluss auf den Wirkungs- grad. Als Schlussfolgerung der Analyse werden Kriterien für die Gestaltung eines effektiven Ölskimmers für den Einsatz in Glattwasser und bei Seegang festgelegt.

Abstract

This Ph.D. thesis presents the optimization of the (mostly) sea state independent oil skimming system SOS by means of numerical and experimental analyses. Here the SOS performance of counteracting oil disasters at open sea is closely examined. As a result of the evaluation of the functional principle of the system, it is found that the SOS shows a higher efficiency compared to existing oil recovery systems - especially in high seas.

The SOS does not feature any moving parts. The system consists of a moon pool (oil dike) and a pontoon (bow segment), which glides on the heavily moving, oil polluted water surface, damping the waves. As a result of this arrangement, the oil layer to flows underneath the pontoon towards a transverse blade, which separates the oil from the water and protects the moon pool from wave effects. At the trailing edge of the bow segment a vortex develops, accelerating the oil particles in addition to their positive buoyancy towards the water surface of the moon pool. The wave-induced motions of the system cause sloshing effects of the fluid within the oil dike. These sloshing motions convey the oil particles over an adjustable slope into an oil sump from where they can be pumped off in a concentrated form.

The first investigations suggested the necessity for experiments with multiple geometries in calm waters as well as at various sea states in order to optimize the system. To minimize the required time and costs for these tests, CFD methods (computational fluid dynamics) are applied to analyze the complex flow phenome- na around the skimmer and inside the Moonpool. These numerical analyses show that the resistance at the inlet slit has to be as small as possible to guarantee a continuous flow. Furthermore, it is proved that, despite of sloshing motions, the vortices in the Moonpool can be stabilized by the integration of a so called CUSP design.

Based on the conclusions from numerical simulations, the SOS is built at model scales of 1:15 and 1:9 and is integrated into an oil recovery ship. Towing tests are conducted in order to analyze and optimize the dynamic behavior of the whole system (carrier vessel & SOS) in various sea states. The results of the experimental investigation show that a fixed skimming unit is to be preferred to a pin-jointed variant.

Subsequently, the fixed integrated SOS is investigated with respect to the effi- ciency at different speeds in irregular waves with different types of oil. The ship’s motions cause sloshing effects, which can be observed during the experiments. By the integration of circular arc shaped slopes, the fluid motions can be damped and utilized for the transport of the oil into the oil sump, without using any moving parts. The magnitude of the damping can be adapted to the current sea state by adjusting the height of the slope. During these tests, the optimized skimming system yields an efficiency up to 95 % in calm waters and up to 70 % in the chosen sea states.

In this thesis the functional principle of the SOS is demonstrated. The results obtained from the analyses expand the level of knowledge regarding the interac- tion between the skimming system and waves and their influence on the system’s efficiency. In conclusion, criteria for the design of an efficient oil skimming system capable to operate in calm waters as well as at harsh seas are given.

Kapitel 1 Einleitung und Übersicht

1.1 Übersicht

Ohne Zweifel ist die Anzahl der Tankerunfälle und die dabei ausgelaufene Ölmenge in den letzten 30 Jahren stark gesunken. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Schiffssicherheit (z.B. durch die Einführung doppelwandiger Tanker) sowie die Verkehrssicherheit auf den Wasserstraßen durch nationale und internationale An- strengungen einen hohen Standard erreicht haben. In Abb. 1.1 ist die Anzahl verunglückter Tanker sowie die erfreulicherweise geringe ausgelaufene Ölmenge über die letzten dreißig Jahre grafisch dargestellt (ITOPF (2004)).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.1: Anzahl der Tankerkatastrophen mit über 700t ausgelaufenen Öls (links), Menge des weltweit ausgelaufenen Öls (rechts)

Es darf jedoch nicht übersehen werden, dass selbst Unfälle mit “verhältnismäßig geringen“ Mengen ausgelaufenen Öls, wie z.B. die Havarie des Holzfrachters Pal- las, der 1998 vor der nordfriesischen Insel Amrum in Brand geriet, ohne Ausnahme zu Katastrophen für die maritime Flora und Fauna führen, und enorme Kosten verursachen (ca. 195 m3 ausgelaufenes Öl, 26000 Seevögel verschmutzt, 16000 Vögel getötet, Kosten: ca. 7,2 Mio Euro).

Dennoch wird angesichts der stetig steigenden Menge des über die Seewege transportierten Öls deutlich, dass das Risiko einer größeren Tankerhavarie jeden Tag aufs neue besteht. Durch die ab 2010 geltende EU-Vorschrift für doppelwan- dige Tanker kann die Gefahr neuer Unfälle zwar reduziert, aber nicht vollständig ausgeschlossen werden. Weiterhin ist die Verschmutzung der Meere nicht allein auf Tankerunfälle zurückzuführen, sondern auch die Industrie in küstennahen Gebieten, undichte Pipelines, Leckagen am Ort der Ölförderung selbst sowie be- wusster Öleintrag durch Schiffsbesatzungen tragen ihren Teil dazu bei. Daher ist man nach wie vor auf effektive, seegangstaugliche Ölunfallbekämpfungssysteme angewiesen.

Das Pallas-Unglück wie auch der Prestige-Untergang haben gezeigt, dass die existierenden Ölunfallbekämpfungsschiffe auf günstige Wetter- und Seegangs- bedingungen warten müssen, da ihre Einsatztauglichkeit auf Wellenhöhen bis 1,5 m beschränkt ist. Abb. 1.2 zeigt jedoch, weshalb es im Fall eines Ölunfalls von

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.2: Darstellung der Abbauprozesse von ausgelaufenem Öl (links), Satelli- tenbild des Ölteppichs der vor der Küste Spaniens gesunkenen “Prestige“ (rechts, Quelle: http://www.envisat.esa.int/)

größter Wichtigkeit ist, den Einsatz möglichst zeitnah durchzuführen. Mit fort- schreitender Zeit breitet sich der Ölfilm auf ein immer größeres und unüberschau- bares Gebiet aus und zerteilt sich in einzelne kleine Öllachen, die nur schwer zu orten sind (ITOPF (2004)). Außerdem verbindet sich das Öl mit Wasser und Luft (Emulgierung), wodurch eine spätere Separation an Bord erschwert wird.

Die bereits operierenden Ölunfallbekämpfungsschiffe haben außerdem mit Wel- lenbrechung entlang der Abschöpfsysteme zu kämpfen, was zu hohen Vermi- schungsprozessen von Öl, Wasser und Luft führt. Hierdurch wird die Menge des se- parierten Öls relativ zur abgeschöpften Gesamtmenge mit zunehmendem Seegang immer geringer. Es ist daher dringend notwendig, ein neues seegangsunabhängiges System zu entwickeln, das sowohl im Glattwasser als auch bei Seegang in der La- ge ist, Öl effizient abzuschöpfen und zusätzlich eine hohe Transitgeschwindigkeit aufweist.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein solcher seegangsunabhängiger Oel-Skimmer (SOS), welcher an der Technischen Universität Berlin entwickelt wurde (Clauss and Abu Amro (2004a)), analysiert und optimiert. Hierbei wird das System bei unterschiedlichen Fahrtgeschwindigkeiten und Seegängen unter Verwendung von verschiedenen Ölsorten untersucht. Nach dem erfolgreichen Abschluss der er- sten Versuche erfolgte die Anmeldung des Systems beim deutschen Patent- und Markenamt unter dem Titel “Gerät zur mechanischen Öl-, Algen- und Chemi- kalienbekämpfung in Seegang und Glattwasser“. Der SOS wird dort unter der Patentnummer 102 21 069 geführt. Ein zweite Patentanmeldung mit dem Titel “Apparatus and process for taking up particles from a water surface“ (Patent- nummer US-2005-013346-A1) wurde beim United States Patent and Trademark Office eingereicht und wird zur Zeit bearbeitet.

Der Skimmer besitzt keine beweglichen Teile und besteht aus einem speziell geformten Bugsegment (Skimmerbug) zur Wellendämpfung, einer Separations- klinge und einem Moonpool, sodass die Wellendämpfung und der Separations- prozess entkoppelt sind. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Skimmer- konfigurationen numerisch und experimentell untersucht. Nach Modifikation des ursprünglichen Konzepts (Abb. 1.3) ist es gelungen, ein im Modellmaßstab funk-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.3: Prinzipskizze des ursprünglichen Konzept des seegangsunabhängigen Oel-Skimmers

tionsfähiges System zu entwickeln (Abb. 1.4), bei dem das Wellenfeld von einem Ponton platt gewalzt und die auf der Wasseroberfläche schwimmende Ölschicht als Grenzschicht unter die Unterseite des Pontons gedrückt wird. Über eine justierbare Separationsklinge wird das ölhaltige Wasser in das Innere des Skimmers geleitet und dort abgepumpt.

Wesentlich für die Effizienz des Verfahrens ist ein Wirbel, der sich an der scharfen Hinterkante des Bugsegments durch geometrieinduzierte Ablösung der Strömung bildet (Nitsche (1994)). Dieser Wirbel zieht das Öl aus den grenz- schichtnahen Bereichen in den Strömungsschatten des Bugsegments. Die aufstei- genden Ölmassen werden in nachgeschaltete Sammeltanks geleitet (Abb. 1.4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.4: Prinzipskizze des voroptimierten SOS

Der Wirbel hinter dem Bugsegment wird sowohl bei den CFD-Rechnungen als auch bei den experimentellen Untersuchungen in Glattwasser nachgewiesen. Bei Versuchen im Seegang lässt sich jedoch beobachten, dass die durch die Kreisseg- mentböschungen gedämpften Sloshingbewegungen im Moonpool zu einer Desta- bilisierung des Wirbels führen. Durch die Integration einer sog. CUSP^* -Form wird der Wirbel stabilisiert. Die Vorteile der CUSP-Form mit Kreissegmentböschung lassen sich durch spiegelbildliche Anordnung auf das Heck des Trägerschiffs über- tragen. In Abb. 1.5 ist die dadurch optimierte Skimmer-Geometrie schematisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.5: Funktionsprinzip des optimierten seegangsunabhängigen Oel-Skimmers “SOS“ im Seegang

Die optimierte SOS-Geometrie wird im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems (Trägerschiff + SOS) durch zahlreiche numerische und experimentelle Untersuchungen im Wellenkanal erfolgreich getestet. Auf diese Analysen wird in den Kapiteln 3 und 4 detailliert eingegangen.

Im folgenden Abschnitt wird zunächst ein Überblick über die z.Z. operierenden Ölunfallbekämpfungssysteme und deren Einsatzgrenzen sowie über Forschungs- projekte, die parallel zur Entwicklung des SOS laufen, gegeben.

1.2 Stand der Forschung

Zur Beseitigung von Ölverschmutzungen auf dem offenen Meer oder im Küsten- bereich sind weltweit eine Vielzahl verschiedener Systeme entwickelt worden. Um einen Überblick über die eingesetzten Systeme zu geben, werden diese im Folgen- den ihrer Funktionsprinzipien entsprechend unterteilt. In Abb. 1.6 sind die Ar-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.6: Klassifizierung der grundlegenden Abschöpfprinzipien

beitsprinzipien dieser Systeme, die bei der Beseitigung von Ölverschmutzungen zum Einsatz kommen und einen akzeptablen Wirkungsgrad bei Glattwasser erzielen, schematisch dargestellt. Problematisch wird die Ölunfallbekämpfung bei rauem Seegang, da die Schiffe nur begrenzt in der Lage sind, Öl von der bewegten Wasseroberfläche abzuschöpfen.

Am Beispiel einiger in deutschen Gewässern operierender Ölunfallbekämpfungs- systeme werden die in Abb. 1.6 dargestellte Abschöpfprinzipien illustriert.

1.2.1 Loch-im-Wasser-Prinzip

Klappschiff Bottsand:

Das in Abb. 1.7 gezeigte Klappschiff Bottsand besteht aus zwei Rumpfhälften, die am Heck über ein Gelenk verbunden sind. Ein wesentlicher Vorteil die- ses Konzepts ist die hohe Transitgeschwindigkeit, mit der es in geschlos- sener Konfiguration zum Unfallort fährt. Der Ölunfallbekämpfungseinsatz beginnt, indem sich die beiden Rumpfhälften wie eine Schere öffnen - so ergibt sich ein trichterförmiger Auffangbereich (Abb. 1.7, links). Während des Einsatzes wird das Öl/Wasser-Gemisch durch zwei im Volumenstrom regelbare Ölwehre in der Trichterspitze abgepumpt (Abb. 1.7, rechts).

Abb. 1.7: Klappschiff “Bottsand“ während des Einsatzes (links), Ölwehr (rechts)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]

---

^*wird von Hucho (2005) als Maßnahme zur Reduzierung des Widerstands bei Vollheckfahrzeugen (z. B. Busse und LKW) vorgeschlagen