Ein Anti-Roll-Tank kann die Rollbewegung eines Schiffes reduzieren, seine Wirksamkeit hängt jedoch stark von der Eigenfrequenz des Tanks ab. In dieser Studie verwenden wir Computational Fluid Dynamics (CFD), um einen Anti-Roll-Tank zu untersuchen und die Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten von MARIN zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, wie ein validiertes CFD-Modell das Design von Anti-Roll-Tanks unterstützen und Ingenieuren helfen kann, Designänderungen effizienter zu bewerten.

Hintergrund

Wenn ein Schiff zu stark rollt, kann dies für das Schiff und/oder die Ladung schädlich sein. Um dem entgegenzuwirken, kann ein Anti-Roll-Tank installiert werden. Der Anti-Roll-Tank enthält Wasser, das die Rollbewegung des Schiffes reduziert, da sich das Wasser im Tank phasenverschoben zum Schiff bewegt. In diesem Fall bewegt sich das Wasser entgegengesetzt zur Bewegung des Tanks, also phasenverschoben, und übt dadurch eine Kraft auf die Seite des Tanks aus, die sich am höchsten Punkt der Rollbewegung befindet. Dadurch wirkt es der Rollbewegung entgegen und dämpft das Rollen.
Darüber hinaus ist das vom Wasser ausgeübte Gegenmoment am größten, wenn die Eigenfrequenz des Tanks der Eigenfrequenz des Schiffes entspricht. In diesem Fall ist der zeitliche Ablauf der Wasserbewegung mit der Rollbewegung des Tanks synchron und wirkt dieser entgegen. Daher wird der Anti-Roll-Tank idealerweise so ausgelegt, dass die Eigenfrequenz des Tanks mit der Eigenfrequenz des Schiffes übereinstimmt. Dadurch kann der Tank unter Resonanzbedingungen eingesetzt werden, bei denen die höchste Rolldämpfung erreicht wird.
Die Wirkung eines Anti-Roll-Tanks mit abgestimmter Eigenfrequenz ist in Abbildung 1 unten dargestellt. Der Spitzenwert des Moments des Anti-Roll-Tanks liegt auf gleicher Höhe wie der Spitzenwert der Rollbewegung des Schiffes ohne Anti-Roll-Tank. Die Dämpfung führt anschließend zu zwei Spitzenwerten vor und nach der Dämpfungswirkung des Anti-Roll-Tanks, die niedriger sind, als der Roll-Spitzenwert ohne installierten Anti-Roll-Tank gewesen wäre.
Die derzeit symmetrische Amplitude der neuen Spitzenwerte ist für ein bestimmtes Schiff jedoch möglicherweise nicht optimal. Abhängig vom Schiff und seinem Einsatzzweck können die Auswirkungen von Rollen mit niedriger und hoher Frequenz unterschiedlich sein.

Die Wirkung eines Anti-Roll-Tanks mit abgestimmter Eigenfrequenz ist in Abbildung 1 unten dargestellt. Der Spitzenwert des Moments des Anti-Roll-Tanks liegt auf gleicher Höhe wie der Spitzenwert der Rollbewegung des Schiffes ohne Anti-Roll-Tank. Die Dämpfung führt anschließend zu zwei Spitzenwerten vor und nach der Dämpfungswirkung des Anti-Roll-Tanks, die niedriger sind, als der Roll-Spitzenwert ohne installierten Anti-Roll-Tank gewesen wäre.
Die derzeit symmetrische Amplitude der neuen Spitzenwerte ist für ein bestimmtes Schiff jedoch möglicherweise nicht optimal. Abhängig vom Schiff und seinem Einsatzzweck können die Auswirkungen von Rollen mit niedriger und hoher Frequenz unterschiedlich sein.

Abbildung 1: Ergebnis der Reaktion des Anti-Roll-Tanks bei unterschiedlichen Wellenhöhen [1]

Daher ist eine weitere Abstimmung des Anti-Roll-Tanks ein wichtiger Schritt bei der Auslegung eines Anti-Roll-Tanks [1]. Die Reduzierung eines Spitzenwerts, mit dem Ergebnis, dass der andere Spitzenwert erhöht wird, kann für einige Schiffe eine sinnvolle Entscheidung sein. Dies kann durch die Anpassung von Abmessungen wie Tankbreite, Kanallänge, Kanalhöhe und Füllhöhe erreicht werden [1].
Die Validierung jeder dieser Designiterationen durch physische Tests wäre mit einem unverhältnismäßig hohen Zeitaufwand verbunden. Anstatt auf den Bau und die Tests jeder Iteration zu warten oder die Anzahl der verfügbaren Iterationen zu begrenzen, kann das Design von Anti-Roll-Tanks durch Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulationen beschleunigt werden.
CFD kann als digitale Testumgebung dienen, in der die Feinabstimmung eines Anti-Roll-Tank-Designs schnell durchgeführt werden kann. Eine ausreichende Übereinstimmung zwischen Experimenten und dem CFD-Modell ist selbstverständlich eine Voraussetzung. Daher haben wir diese Validierungsstudie durchgeführt und unsere CFD-Ergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen von MARIN [2] verglichen, um die Gültigkeit einer CFD-gestützten Designstrategie für Anti-Roll-Tanks zu bewerten.

CFD-Validierung eines Anti-Roll-Tanks

In dieser Untersuchung wird ein U-förmiger Tank verwendet, wie in Abbildung 2 dargestellt, wobei beide Seiten des Tanks, also die „Schenkel“ des U, als Wings bezeichnet werden. Sobald der Tank zu rollen beginnt, bewegt sich das Wasser von einem Wing zum anderen, wodurch ein Rollmoment entsteht. Wenn der Anti-Roll-Tank korrekt ausgelegt ist, ist die Phase des Wassers im Tank so beschaffen, dass sie die Rollbewegung des Schiffes reduziert.

Abbildung 2: Geometrie des Anti-Roll-Tanks

Aufbau

In dieser Untersuchung werden Testdaten von MARIN, wie sie in der Veröffentlichung Experimental data on the systematic variation of the internal damping inside a U-shaped anti-roll tank [2] dokumentiert sind, zur Validierung der CFD-Simulation verwendet. In Abbildung 3 sind die Abmessungen des Anti-Roll-Tanks dargestellt. Der Tank hat eine Breite von 1 m und eine Höhe von 238 mm. Die Tiefe des Tanks, in x-Richtung gemäß dem Koordinatensystem in Abbildung 3, beträgt 416 mm.
Der Rotationspunkt befindet sich in der Mitte des Tanks, 107 mm über dem Boden des Tanks. Die Wasserhöhe, dargestellt durch die schwarze gestrichelte Linie, beträgt 119 mm über dem Boden des Tanks. Die Wasserdichte beträgt 1000 kg/m³.

Abbildung 3: Abmessungen des Anti-Roll-Tanks

Für diese Validierung wurde eine Rollwinkelamplitude von 1° verwendet, mit einem Bereich von Kreisfrequenzen zwischen 1,07 und 3,22 rad/s.
In der CFD-Analyse wurde ein Volume-of-Fluid-Modell (VOF) in Kombination mit einer automatischen Netzverfeinerung (AMR) und einem adaptiven Zeitschritt (ATS) verwendet. Dem Tank wurde eine erzwungene Rollbewegung vorgegeben, wobei der Rotationspunkt wie in Abbildung 2 dargestellt positioniert wurde. Dies ist auch die Stelle, an der das Moment um die x-Achse gemessen wird.

Analysis

In den von MARIN durchgeführten Experimenten wird ein Rolldämpfungskoeffizient Bx, angegeben in N·m·s/rad, zur Dokumentation der Ergebnisse verwendet [1].

In dieser Gleichung bezeichnet M x,a das Moment um die x-Achse für Experiment a, ω die entsprechende Kreisfrequenz, ɸα den Rollwinkel und ɛ die Phasenänderung. Die Phasenänderung ist die Phasenverschiebung der erzwungenen Rollbewegung im Vergleich zur Momentenantwort.

Ergebnisse

MARIN berechnete den Rolldämpfungskoeffizienten auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse für Momentenamplitude und Phasenwinkel [2]. In Abbildung 3 werden diese Ergebnisse mit dem berechneten Dämpfungskoeffizienten verglichen, der auf der Momentenamplitude und dem Phasenwinkel aus den CFD-Simulationen basiert. Insgesamt zeigt die CFD-Analyse eine gute Übereinstimmung mit einem Bestimmtheitsmaß (R²) von 0,98.
Zu Beginn sagt die Simulation den Rolldämpfungskoeffizienten recht gut voraus, mit Abweichungen von weniger als 5 %. Bei einer Kreisfrequenz von 2,25 rad/s überschätzt die CFD-Simulation den Rolldämpfungskoeffizienten jedoch leicht, mit Abweichungen von bis zu 15 %. Diese Abweichungen nehmen beim Annähern an den Spitzenwert ab (<5 %). Der Spitzenwert der CFD-Simulationen wird etwa 0,1 rad/s niedriger vorhergesagt als der Spitzenwert der Experimente.
Der simulierte Spitzenwert des Rolldämpfungskoeffizienten liegt weiterhin sehr nahe am experimentellen Wert, mit einer Abweichung von nur 2 % gegenüber dem experimentellen Wert bei derselben Kreisfrequenz. Andererseits unterscheiden sich die experimentellen und simulierten Spitzenwerte beim Rolldämpfungskoeffizienten um 11 % und bei der Kreisfrequenz um 0,1 rad/s.

Abbildung 4: Experimentelle Ergebnisse [1] im Vergleich zu den CFD-Ergebnissen

Der Rolldämpfungskoeffizient hängt sowohl vom maximalen Momentenwert als auch vom Phasenwinkel ab. In den Abbildungen 5 und 6 sind der Phasenwinkel und die Momentenamplitude der CFD-Simulationen bei allen Kreisfrequenzen dargestellt. Der Phasenwinkel zeigt die erwartete Kurve, wie sie auch in der Literatur zu finden ist [2]. Nur der Phasenwinkel bei einer Kreisfrequenz von 2,86 rad/s weicht geringfügig von der Kurve ab.
Wenn der Phasenwinkel der Grund für die unterschiedliche Lage des Spitzenwerts des Rolldämpfungskoeffizienten wäre, wäre zu erwarten, dass die Kurve bei etwa 2,4 rad/s ein fehlerhaftes Verhalten zeigt, da die Rolldämpfungskoeffizienten vor diesem Wert nahe an den experimentellen Werten liegen.
Da dies nicht der Fall ist, wird erwartet, dass die Momentenamplitude der Grund für die niedrigere Lage des Spitzenwerts des Rolldämpfungskoeffizienten ist. Dies ist auch in Abbildung 6 zu erkennen, wo die Momentenamplitude dieselbe Kurve wie der Rolldämpfungskoeffizient zeigt.
Dies würde bedeuten, dass die Amplitude der Wasserstände bei den Spitzenwerten der Kreisfrequenz niedriger ist als in den Experimenten, wodurch auch in diesen Bereichen eine niedrigere Momentenamplitude entsteht. Die CFD-Simulation zeigt daher eine stärkere Dämpfung, was zu einem niedrigeren Rolldämpfungskoeffizienten als im Experiment führt.

Abbildung 5: Phasenwinkel

Abbildung 6: Momentenamplitude

Diskussion

Die Ergebnisse stimmen mit den experimentellen Ergebnissen recht gut überein, mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,98. Die Simulationsergebnisse zeigen bei niedrigeren Kreisfrequenzen einen etwas niedrigeren Rolldämpfungskoeffizienten und bei höheren Kreisfrequenzen einen etwas höheren Rolldämpfungskoeffizienten. Nur der Spitzenwert des Rolldämpfungskoeffizienten wird bei einer um 0,1 rad/s niedrigeren Kreisfrequenz vorhergesagt (2,43 rad/s gegenüber 2,50 rad/s).
Die niedrigere Lage des Spitzenwerts ist auf eine geringere Amplitude der Wasserhöhe beim Spitzenwert des Rolldämpfungskoeffizienten und damit auf eine niedrigere Momentenamplitude zurückzuführen. Die simulierten Phasenänderungswinkel liegen nahe an den erwarteten Werten, wenn ähnliche experimentelle Kurven betrachtet werden [2]. Bei einer Kreisfrequenz von 2,86 rad/s weicht der simulierte Wert vom Verhalten der erwarteten Kurve ab.
Dies ist jedoch der einzige Wert, bei dem dies der Fall ist; alle anderen Werte folgen der erwarteten Kurve. Da der Phasenänderungswinkel das erwartete Verhalten zeigt und die Kurve im Bereich des Spitzenwerts des Rolldämpfungskoeffizienten keine Abweichung vom erwarteten Verhalten zeigt, wird erwartet, dass die Momentenamplitude der Grund für den Unterschied in der Lage des Spitzenwerts des Rolldämpfungskoeffizienten ist.

Fazit

Die CFD-Analyse stimmt mit den experimentellen Ergebnissen recht gut überein, mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,98. Die vorhergesagte maximale Dämpfung liegt bei einer etwas niedrigeren Frequenz als erwartet, und auch die Rolldämpfung ist niedriger als erwartet. Dies bedeutet, dass die Rollbewegung des Schiffes etwas weniger gedämpft wird als experimentell beobachtet. Diese leichte Unterschätzung stellt eine konservative Methode dar, da eine stärkere Dämpfung in der Praxis als Verbesserung von Leistung und Sicherheit angesehen würde.
Daher eignen sich die aktuellen CFD-Methoden gut, um das Design und die Validierung von Anti-Roll-Tanks (ART) zu beschleunigen. Dies ist insbesondere beim Design eines U-förmigen Tanks relevant, bei dem die Eigenfrequenz von verschiedenen Abmessungen abhängt, darunter Breite, Länge, Kanalhöhe und Füllhöhe. Die CFD-Analyse kann den Prozess vom ersten Entwurf bis zum finalen Design deutlich beschleunigen.

CFD-Service für Anti-Roll-Tanks: Wie Femto Engineering helfen kan

Diese Validierung zeigt, dass CFD ein praktisches Werkzeug für das Design von Anti-Roll-Tanks sein kann, von der frühen Konzeptentwicklung bis zur finalen Abstimmung. Als CAE-Consultancy unterstützt Femto Engineering Engineering-Teams dabei, Simcenter STAR-CCM+ und andere Simcenter-Simulationssoftware einzusetzen, um komplexe Strömungsdynamik zu untersuchen, Simulationsmodelle anhand von Testdaten zu validieren und Designs zu optimieren, bevor physische Prototypen in Auftrag gegeben werden.
Wenn Sie einen Anti-Roll-Tank entwickeln oder vor einer ähnlichen strömungsdynamischen Herausforderung stehen, können unsere CFD-Ingenieure Sie dabei unterstützen, den richtigen Simulationsansatz zu beurteilen und Möglichkeiten für schnellere Designiterationen zu identifizieren. Buchen Sie ein kostenloses Erstgespräch mit Femto Engineering, um Ihr Projekt zu besprechen.

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Autorin:Frouke Kruijssen
CFD Simulation Engineer, Femto Engineering

Literaturverzeichnis

[1] N. Carette, R. P. Dallinga and G. K. Kapsenberg, “On the design of anti-roll tanks,” in PRADS2016, Copenhagen, Denmark, 2016.
[2] M. Gunsing, N. Carette and G. Kapsenberg, “Experimental Data on the Systematic Variation of the Internal Damping Inside a U-shaped Anti-Roll Tank,” in ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, San Fransisco, 2014.
[3] S. Field and J. martin, “Comparative effects of U-tube and Free Surface type passive roll stabilisations systems,” Trans. RINA, 1976.