M. Eng. Benjamin Hildebrand, Prof. Dr.-Ing. Sven Olaf Neumann, Prof. Dr.-Ing. Jörn Kröger, Fachhochschule Kiel; B. Eng. Oliver Jahns, GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel
Zur Maximierung der Einsatzdauer eines neu konstruierten, torpedoförmigen AUV‘s (Autonomes Unterwasserfahrzeugs) des GEOMAR wurde die Umströmung des Fahrzeugs experimentell und numerisch analysiert und die Nasengeometrie optimiert. Das Fahrzeug soll u.a. zur Erhebung von Topologiedaten des Meeresbodens verwendet werden, welche zur nachhaltigen Planung von Offshore Strukturen eingesetzt werden können. Der Vortrag erläutert den gewählten Ansatz zur Analyse der zugrundeliegenden Fragestellung, diskutiert die gewählte Optimierung und ordnet das Ergebnis mit Blick auf die Nutzung des AUV ein. Die untersuchten Geometrien umfassen runde (halbkugelförmige) und optimierte elliptische Nasenormen mit und ohne Anbauteilen. Die spezifische Geometrie der Anbauteile ist durch den Einsatz vorgegeben und wird maßgeblich von der verwendeten Sensorik zur Topologie Erfassung des Meeresbodens im vorderen Fahrzeugteil und Steuerfinnen am Heck bestimmt. Für die numerischen Simulationen wurde das finite Volumen Verfahren (Ansys CFX Vers. 2022/R1) verwendet. Das turbulente Strömungsfeld wurde unter Nutzung des k-ω SST RANS-Turbulenzmodelles berechnet, die Auflösung des Strömungsfeldes umfasste die wandnahe, viskose Unterschicht. Die Transition wurde mithilfe des ,-Modells für die Intermittenz berücksichtigt. Die Umströmung des AUV wurde für ein konkretes Einsatzszenario untersucht. Ergänzend wurden Versuche im Strömungskanal der Fachhochschule Kiel durchgeführt. Die Reynoldszahl der Großausführung beträgt 4,95∙106, die Modellversuche wurden bei verschiedenen Reynoldszahlen von 1,10∙106 bis 2,14∙106 durchgeführt. Die analytische Abschätzung und die Übertragung der Modellwerte auf die Großausführung erfolgten mit der Formfaktor-Methode. Die Ergebnisse der Modellversuche zeigen im Vergleich der runden zur elliptischen Nasenform eine Verbesserung des Strömungswiderstands im Mittel von 4,9% ohne Anbauteile und 4,1% mit Anbauteilen. Die numerischen Ergebnisse in Modellgröße zeigen dagegen eine größere Verbesserung von 17,4% ohne und 5,3% mit Anbauteilen. Im Vergleich zu den auf numerischem Wege im Modellmaßstab ermittelten Strömungswiderständen ergibt sich über alle Varianten und Geschwindigkeiten eine gute Genauigkeit der numerischen Vorhersage gegenüber den Versuchsdaten (maximale Abweichung ca. 16%). Für die Großausführung ohne Anbauteile ergibt die Auswertung der numerischen Simulationen für die elliptische Nasengeometrie eine Reduktion des Gesamtwiderstandes von 37%. Mit Anbauteilen verbleibt eine Reduktion um 14%. Durch die elliptische Nase vergrößert sich die laminare Lauflänge. Die Auswertung des Reibungsbeiwertes ohne Anbauteile zeigt mit runder Nasenform einen Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung der bei dem Modell mit elliptischer Nase ausbleibt. Die Anbauteile vorderen Teil des Fahrzeugs beeinflussen die Strömung stark. Das obere Viertel des Fahrzeugs mit wenig Einfluss der Anbauteile zeigt dagegen einen Bereich mit ähnlichem Verhalten wie bei den Modellen ohne Anbauteile. Die Auswertung der dimensionslosen turbulenten kinetischen Energie und der dimensionslosen Geschwindigkeit in verschiedenen, wandnormalen Schnitten zeigen, dass am Ende des zylindrischen Teils des AUV keine vollständig turbulente Strömung entsteht. Insgesamt zeigt sich eine gute Übereinstimmung von den analytischen Annäherungen des Strömungswiderstands, den Messwerten im Strömungskanal und den Simulationsergebnissen. Im Zuge der durchgeführten Analysen konnte der Strömungswiderstand des AUV durch die Optimierung der Nasengeometrie um ca. 14% gesenkt und somit die Einsatzdauer des Fahrzeugs in relevantem Maße verlängert werden.