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
1 Einleitung
1.1 Übersicht
1.2 Ziel der Arbeit
2 Fluiddynamische Grundlagen
2.1 Stufen der Modellbildung
2.2 Grundgleichungen der Strömungsmechanik
2.3 Die RANS Gleichungen für Strömungen inkompressibler Fluide
2.4 Turbulenzmodelle
2.5 Wandfunktion
2.6 Generierung der freien Oberfläche
2.6.1 Allgemeine Methoden
2.6.2 VOF Methode zur Berücksichtung der freien Oberfläche
2.7 Euler-Langrange-Methode zur Ölmodellierung
2.8 Numerische Aspekte
2.8.1 Lösungsalgorithmen
2.8.2 Differenzenquotienten (differencing schemes)
2.8.3 Zeitschrittweite
3 Geometriemodellierung
3.1 Bearbeitung der Geometrie
3.2 Vorbereitung der Ölskimmergeometrie zur Gittergenerierung
4 Gittergenerierung
4.1 Qualitätskriterien
4.2 Gittertopologie
4.3 Methoden der Gittergenerierung
4.4 Festlegung der Blockstruktur
4.4.1 Festlegung der Zellaufteilung
4.4.2 Definition der Randbedingungen
4.4.3 Formatiertes abspeichern des Gitters
4.5 Exportieren des Gitters mit der GID-CFD Schnittstelle
5 Numerische Strömungsberechnungen
5.1 Randbedingungen
5.2 Anfangsbedingungen
5.3 Stationäre Strömung (einphasig)
5.3.1 Eingabeparameter der stationären Strömung
5.3.2 Auswertung und Ergebnisdiskussion der stationären Strömung
5.4 CFD Analyse und Validation der instationären Strömung (zweiphasig)
5.4.1 Festlegung der Parameter der numerischen Simulation
5.4.2 Ergebnisse und Gittersensitivität
5.4.3 Vergleich der Ergebnisse mit experimentellen Daten
5.5 Untersuchung des Ölskimmers ohne Hinterschiff (zweiphasig)
5.6 Untersuchung des Ölskimmers mit Hinterschiff
5.6.1 Gittergenerierung des Ölskimmers mit Hinterschiff
5.6.2 Ergebnisse bei unterschiedlichen geometrischen Verhältnissen
5.7 Instationäre Strömung (mit Öl)
5.7.1 Eingabeparameter der dreiphasigen Strömung
5.7.2 Ergebnisse mit verschieden Öl-Sorten
5.8 3D-Strömung mit Schiff (tiefgetaucht)
5.9 Gittergenerierung der 3D-Strömung
5.9.1 Gittersensitivität
5.9.2 Auswertung der Berechnungen
6 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Das Hauptziel dieser Diplomarbeit ist die Durchführung dreiphasiger numerischer Strömungsberechnungen (CFD) zur Optimierung eines innovativen Ölskimmers, um dessen Effizienz bei der Ölbekämpfung auf See zu verbessern. Die Forschungsarbeit konzentriert sich dabei auf die detaillierte Simulation der Interaktion zwischen Wasser, Öl und der Skimmergeometrie unter verschiedenen Bedingungen.
- Entwicklung und Validierung numerischer Modelle basierend auf RANS-Gleichungen und VOF-Methoden.
- Numerische Simulation der Strömungsverhältnisse in der Einlauf- und Ablaufzone des Skimmers.
- Untersuchung der Bahn von Ölpartikeln unter Verwendung der Euler-Lagrange-Methode.
- Optimierung der Skimmergeometrie und Untersuchung des Einflusses verschiedener Parameter wie Geometrieverhältnisse und Öl-Sorten.
- Erweiterung der zweidimensionalen Analysen auf eine dreidimensionale Betrachtung inklusive Trägersystem.
Auszug aus dem Buch
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.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Problematik von Tankerunglücken ein und beschreibt das Ziel der Arbeit, ein seegangsunabhängiges Ölskimmer-System mittels CFD-Simulation zu optimieren.
2 Fluiddynamische Grundlagen: In diesem Kapitel werden die physikalischen und mathematischen Grundlagen erläutert, einschließlich der Navier-Stokes-Gleichungen, Turbulenzmodellen und der VOF-Methode zur Modellierung freier Oberflächen.
3 Geometriemodellierung: Hier wird der Prozess der geometrischen Aufbereitung des Ölskimmers erläutert, um eine für die numerische Simulation geeignete Oberflächenbeschreibung zu erzielen.
4 Gittergenerierung: Dieses Kapitel beschreibt die Methoden und Qualitätskriterien zur Erstellung blockstrukturierter Rechengitter, die für eine präzise numerische Berechnung erforderlich sind.
5 Numerische Strömungsberechnungen: Der Hauptteil der Arbeit, in dem die Durchführung und Auswertung stationärer und instationärer Berechnungen in 2D und 3D sowie die Validierung mit experimentellen Daten detailliert dargestellt werden.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Dieses abschließende Kapitel fasst die gewonnenen Erkenntnisse zur Optimierung des Ölskimmers zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsmöglichkeiten im Bereich der hydrodynamischen Beurteilung.
Schlüsselwörter
CFD, Numerische Strömungsmechanik, RANS-Gleichungen, Ölskimmer, VOF-Methode, Gittergenerierung, Euler-Lagrange-Methode, Strömungssimulation, Marine Technik, Ölbekämpfung, Seegangsunabhängigkeit, Turbulenzmodellierung, Star-CD, Schiffsantrieb, Grenzschicht.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation (CFD) eines innovativen Ölskimmer-Systems, um dessen Leistungsfähigkeit bei der Ölbekämpfung auf See zu optimieren.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Arbeit fokussiert sich auf Fluiddynamik, numerische Strömungsberechnungen, Gittergenerierung und die Modellierung von Ölpartikeln in einem Strömungsfeld.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, ein Verfahren zu etablieren, das das Strömungsgebiet um den Skimmer präzise abbildet, um durch Formoptimierung den Wirkungsgrad der Ölabschöpfung unter variierenden Bedingungen zu maximieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden numerische Simulationen auf Basis der RANS-Gleichungen (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) in Verbindung mit der VOF-Methode (Volume of Fluid) zur Modellierung der freien Oberfläche eingesetzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden der gesamte Simulationsprozess, von der Modellierung und Gittergenerierung bis hin zur stationären und instationären 2D- sowie 3D-Strömungsanalyse und deren Validierung mit experimentellen Daten, detailliert ausgeführt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Zu den prägenden Begriffen gehören CFD, Ölskimmer, RANS-Gleichungen, VOF-Methode, Gittergenerierung und numerische Strömungsberechnung.
Wie beeinflusst der ISC-Faktor die numerische Berechnung?
Der Interface-Sub-Cycling-Faktor steuert die Anzahl innerer Iterationen bei Phasenübergängen (Wasser-Luft), was für die Stabilität und Genauigkeit bei der Berechnung der freien Oberfläche entscheidend ist.
Warum ist die Wahl des geometrischen Verhältnisses Λ so wichtig?
Das Verhältnis zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung bestimmt maßgeblich den Volumenstrom in den Skimmer; ein optimales Verhältnis (hier Λ=4,0) ist notwendig, um Rückströmungen zu vermeiden und einen konstanten Ölabschöpfprozess zu gewährleisten.
- Quote paper
- Dr. Mazen Abu Amro (Author), 2001, Zwei- und dreiphasige Strömungsberechnung zur Optimierung eines Ölbekämpfungsschiffes, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/7932
