Hintergrund

Um ein stromlinienförmiges Yacht-Äußeres und weniger Abgasgeräusche zu gewährleisten, werden Abgasrohre in der Regel unterhalb der Wasserlinie angebracht. Über dem Auspuff wird dann eine Haube (Scoop) angebracht, um den Wasserdruck sowie den Abgas- und Kühlwasserfluss zu steuern.Doch wie gehen Ingenieure vor, um solche Hauben zu bewerten und zu optimieren? Bei Femto Engineering nutzen wir fortschrittliche Modellierungsmethoden, um die Auswirkungen verschiedener Strömungsparameter auf ein Design zu evaluieren. Unsere Expertise liegt in der umfassenden.

Strömungsmodellierung in Kombination mit Bewegungs- und Strukturkomponenten. Der Einsatz von Computational Fluid Dynamics (CFD) zur Vorhersage der Leistungsfähigkeit solcher Konstruktionen ist anspruchsvoll, bringt jedoch großen Mehrwert – in Form von mehr Einblick, weniger Unsicherheit und einem reduzierten Bedarf an umfangreichen physischen Tests.Sobald ein Modell eingerichtet ist, können Ingenieure eine Vielzahl von Designszenarien testen – das Ergebnis: qualitativ hochwertigere Konstruktionen. In dieser Fallstudie lesen Sie mehr über den Aufbau eines solchen Modells für einen unterhalb der Wasserlinie befindlichen Yacht-Auspuff.

Unsere Mission

Unsere Zielsetzung war zweigeteilt. Zum einen wollten wir ein Basismodell entwickeln, das sich für die Prüfung verschiedener Scoop-Designs eignet. Dafür musste das Modell heiße Abgase, Kühlwasser, ein Abgassystem, die Wasseroberfläche und ein fahrendes Boot abbilden. Je mehr dieser Faktoren gleichzeitig untersucht werden, desto genauer ist die Simulation.
Zum anderen wollten wir die Leistungsfähigkeit von Simcenter STAR-CCM+ für diesen Prozess demonstrieren. Simcenter STAR-CCM+ ist die führende CFD-Software von Siemens, die wir sowohl nutzen als auch vertreiben. Simulationen mit Mehrfachphysik und komplexen Geometrien setzen wir bei Femto Engineering in der Regel mit diesem Tool um.

Die Simulationseinrichtung

In dieser CFD-Simulation wird zunächst kein Scoop über dem unter Wasser liegenden Yacht-Auspuff angebracht. Auf diese Weise können wir das Verhalten der Abgase beim Austritt sowie deren Einfluss auf die Rumpfverschmutzung unbeeinflusst untersuchen. So entsteht ein Basismodell, auf dessen Grundlage später verschiedene Scoop-Designs virtuell getestet werden können.

Unsere Studie nutzt eine Mehrphasenströmung für eine vereinfachte, generische Yacht, wobei die Oberdecks zur Reduzierung der Komplexität nicht berücksichtigt wurden.

In der Simulation fährt die Yacht mit einer Geschwindigkeit von rund 14 Knoten (7,1 m/s). Der Auspuff befindet sich etwa einen Meter unterhalb der Wasserlinie und hat einen Durchmesser von 0,5 Metern. Der Massenstrom beträgt 10,5 kg/s, die Gastemperatur liegt bei 60 °C und der Volumenstrom des Abgases macht ungefähr 0,5 Prozent des Gesamtvolumenstroms aus. Mit Hilfe der Simulation lassen sich diese Parameter flexibel anpassen, um auch andere Szenarien zu untersuchen.

Für die instationäre CFD-Simulation wird die Volume-of-Fluid-(VOF)-Methode verwendet, die zwei Phasen umfasst: Wasser und Luft. Das Wasser wird dabei als Medium mit konstanter Dichte modelliert, während die Luft als Mehrkomponentengas beschrieben wird, bestehend aus Umgebungsluft und Abgas, um beide Strömungen voneinander unterscheiden zu können. Da Temperatureffekte berücksichtigt werden müssen, kommt das ideale Gasmodell zum Einsatz.

Ergebnisse

Die Animation zeigt das Verhalten der Abgase beim Austritt. Rechts oben wird die Menge der Abgase dargestellt, die am Rumpf entlangströmt.

Die Simulation macht sichtbar, wie die Abgase aus dem Wasser aufsteigen, auf den bewegten Rumpf oberhalb der Wasserlinie treffen und wie hoch sie gelangen können.

Fazit

Ist uns die Einrichtung eines umfassenden Basismodells gelungen? Wir denken: ja. Wir konnten mehrere Phänomene gleichzeitig untersuchen, zum Beispiel den Einfluss der Geschwindigkeit auf das Wasserströmungsbild und die Auswirkung dieser Strömung auf den Abgasaustritt, der aus heißen Abgasen und Kühlwasser besteht. Femto hat diese Technik bereits in einer Beratung zur Scoop-Optimierung eingesetzt und damit eine messbar bessere Strömungsführung sowie weniger Rumpfverschmutzung erreicht. Das kann die Wartungszeit für Yachten im Trockendock verringern.

CFD lässt sich auch in vielen anderen ähnlichen Systemen anwenden, um optimale Leistungs- und Zuverlässigkeitsparameter zu finden. Entwickler können dadurch teure Trial-and-Error-Methoden deutlich reduzieren.

Diese Simulation zeigt die Leistungsfähigkeit von Simcenter STAR-CCM+ zur Modellierung komplexen Mehrphasenströmungsverhaltens. Die Möglichkeit, iterative Designstudien in einer einzigen Benutzeroberfläche durchzuführen, erleichtert die Vorbereitung und Einrichtung der Simulation erheblich.

Wenn Sie Modellierungs- und Simulationstechnologien einsetzen möchten, um die Produktentwicklung zu beschleunigen und bessere Produkte zu gestalten, sprechen Sie uns gerne an.

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