Kav4D – Teilvorhaben PRÄVER: Entwicklung von hochpräzisen numerischen Methoden zur quantitativen Vorhersage von Erosionsraten

Teilvorhaben zum Verbundprojekt „Numerische Vorhersage des zeitlichen Verlaufs kavitationsbedingter Erosionsschäden an Schiffspropulsions- und -manövrierorganen“
 

Projektlaufzeit: 2018-2021
Fördergeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Kavitation und Kavitationserosion gehören zu den Phänomenen mit dem größten Stör- und Schadenspotential für Propulsions- und Manövrierorgane von Schiffen. Kavitationsbedingte Erosion kann erhebliche Schäden an Propellern und Rudern verursachen, was im schlimmsten Fall zur Manövrierunfähigkeit des Schiffes führen kann. Zumindest fallen die betroffenen Schiffe aufgrund zusätzlicher Reparaturen und Dockingzeiten aus, wodurch höhere Kosten für die Reeder entstehen.

Das Ziel des Teilvorhabens ist es, möglichst genaue CFD-Verfahren und Erosionsmodelle zur Vorhersage des zeitlichen Verlaufs der Kavitationserosion zu entwickeln und an schiffstechnischen Anwendungen zu validieren. Die Strömungssimulation liefert dabei die Wandlasten für das Erosions- bzw. Materialmodell. Mit diesem „High Precision Tool“ HiPT soll die Strömungsphysik so genau abgebildet werden, dass möglichst wenige Modellannahmen getroffen werden müssen. Das HiPT wird dazu genutzt, um Referenzlösungen für das effiziente aber mit Modellparametern versehene „Fast Solution Tool“ FaST (Teilvorhaben der Universität Duisburg-Essen) zu erstellen und eine zielgerichtete Anpassung dieser Modellparameter zu ermöglichen. Das FaST wird mit moderatem Rechenaufwand für schnelle Simulationen mit ausreichender Genauigkeit, insbesondere Variantenrechnungen angewendet werden können. Ein späterer industrieller Einsatz des HiPT ist aber dennoch z.B. für hochgenaue Abnahmesimulationen oder im Rahmen von Task-Forces zu erwarten. Zwar ist der Rechenaufwand pro Simulationstestfall deutlich höher als beim FaST. Die zugrundeliegende Numerik im HiPT in Form eines expliziten Zeitschrittverfahrens erlaubt aber auf der anderen Seite eine einfache Anwendung (keine Konvergenzprobleme, da keine nicht-linearen Iterationen und keine Matrixlöser benötigt werden!) und eine praktisch lineare Skalierung auf Parallelsystemen. Beides begünstigt einen späteren auch industriellen Einsatz des HiPT. Die Implementierung des High Precision Tool ist in der OpenSource Software OpenFOAM vorgesehen.

Ansprechpartner: Felix Schreiner