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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Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Übersicht
- Ziel der Arbeit
- Fluiddynamische Grundlagen
- Stufen der Modellbildung
- Grundgleichungen der Strömungsmechanik
- Die RANS Gleichungen für Strömungen inkompressibler Fluide
- Turbulenzmodelle
- Wandfunktion
- Generierung der freien Oberfläche
- Allgemeine Methoden
- VOF Methode zur Berücksichtung der freien Oberfläche
- Euler-Langrange-Methode zur Ölmodellierung
- Numerische Aspekte
- Lösungsalgorithmen
- Differenzenquotienten (differencing schemes)
- Zeitschrittweite
- Geometriemodellierung
- Bearbeitung der Geometrie
- Vorbereitung der Ölskimmergeometrie zur Gittergenerierung
- Gittergenerierung
- Qualitätskriterien
- Gittertopologie
- Methoden der Gittergenerierung
- Festlegung der Blockstruktur
- Festlegung der Zellaufteilung
- Definition der Randbedingungen
- Formatiertes abspeichern des Gitters
- Exportieren des Gitters mit der GID-CFD Schnittstelle
- Numerische Strömungsberechnungen
- Randbedingungen
- Anfangsbedingungen
- Stationäre Strömung (einphasig)
- Eingabeparameter der stationären Strömung
- Auswertung und Ergebnisdiskussion der stationären Strömung
- CFD Analyse und Validation der instationären Strömung (zweiphasig)
- Festlegung der Parameter der numerischen Simulation
- Ergebnisse und Gittersensitivität
- Vergleich der Ergebnisse mit experimentellen Daten
- Untersuchung des Ölskimmers ohne Hinterschiff (zweiphasig)
- Untersuchung des Ölskimmers mit Hinterschiff
- Gittergenerierung des Ölskimmers mit Hinterschiff
- Ergebnisse bei unterschiedlichen geometrischen Verhältnissen
- Instationäre Strömung (mit Öl)
- Eingabeparameter der dreiphasigen Strömung
- Ergebnisse mit verschieden Öl-Sorten
- 3D-Strömung mit Schiff (tiefgetaucht)
- Gittergenerierung der 3D-Strömung
- Gittersensitivität
- Auswertung der Berechnungen
- Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Durchführung von dreiphasigen numerischen Strömungsberechnungen an einem innovativen Ölskimmer, um eine Optimierung zu ermöglichen. Ziel ist es, das Strömungsverhalten des Wassers, die freie Oberfläche und die Bewegung von Ölpartikeln zu simulieren, um so einen optimierten Entwurf für den Ölskimmer zu entwickeln.
- Simulation des Strömungsfeldes in einem Ölskimmer mit unterschiedlichen Geometrien
- Modellierung der Ölpartikelbewegung im Strömungsfeld
- Optimierung des Ölskimmerdesigns anhand numerischer Berechnungen
- Validierung der Simulationsergebnisse anhand experimenteller Daten
- Entwicklung eines seegangsunabhängigen Ölskimmers
Zusammenfassung der Kapitel
Die Arbeit beginnt mit einer Einleitung, in der die Bedeutung von Ölskimmern für die maritime Umwelt und die aktuelle Forschungslandschaft im Bereich der Ölbekämpfung dargestellt werden. Im zweiten Kapitel werden die fluiddynamischen Grundlagen erläutert, die für die Modellierung des Strömungsverhaltens im Ölskimmer relevant sind. Das dritte Kapitel behandelt die Geometriemodellierung des Ölskimmers und die Vorbereitung der Geometrie für die Gittergenerierung. Im vierten Kapitel werden die verschiedenen Methoden der Gittergenerierung und die Festlegung der Blockstruktur für die numerische Simulation beschrieben. Das fünfte Kapitel behandelt die numerischen Strömungsberechnungen, die mit der Software STAR-CD durchgeführt werden. Hier werden die Randbedingungen, die Anfangsbedingungen und die Ergebnisse der Simulationen in 2D und 3D diskutiert. Das sechste Kapitel bietet eine Zusammenfassung der Ergebnisse und einen Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.
Schlüsselwörter
Dreiphasenströmung, Ölskimmer, numerische Simulation, CFD, RANSE, VOF, Euler-Langrange-Methode, Gittergenerierung, STAR-CD, Ölbekämpfung, Seegang, Optimierung.
- Arbeit zitieren
- Dr. Mazen Abu Amro (Autor:in), 2001, Zwei- und dreiphasige Strömungsberechnung zur Optimierung eines Ölbekämpfungsschiffes, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/7932
