Auspuffposition und CFD-Analyse

Die Art der CFD-Analyse, die zur Modellierung dieser Art von Abgassystemen erforderlich ist, hängt direkt von der Position des Auspuffs ab. Befindet sich der Auspuff unterhalb der Wasserlinie oder direkt darüber, haben die vom Schiff erzeugten Wellen einen großen Einfluss auf die Position der Flecken. In diesem Fall reicht oft ein einziges Szenario aus, um den Einfluss der Abgase auf die Flecken am Rumpf zu bestimmen. Diese Simulationen bestehen aus zwei Schritten: Zunächst werden die Wellen um den Rumpf herum mithilfe einer transienten VOF-Simulation berechnet. Einen ausführlicheren Artikel über diese Art von Simulationen finden Sie hier. Im zweiten Schritt werden die Abgase zur Simulation hinzugefügt.
Befindet sich der Auspuff oben auf dem Schiff, ist die Art der Simulation eine andere. In diesem Fall sind die Wellen für die Verteilung der Abgase um das Schiff herum nicht von Bedeutung. Wichtig sind jedoch die Windgeschwindigkeit und -richtung. In diesem Fall kann eine stationäre CFD-Simulation durchgeführt werden, wobei die Abgase direkt in die Simulation einbezogen werden. Oftmals müssen jedoch mehrere Windrichtungen modelliert werden, um das Worst-Case-Szenario zu ermitteln.
Die Simulationszeiten für Schornsteinabgase sind in der Regel viel kürzer, da die erforderlichen stationären Simulationen weniger Simulationszeit erfordern als transiente Wellensimulationen (stationär gegenüber transient). Die Gesamtzahl der Simulationen ist jedoch viel höher. Glücklicherweise können mit den Automatisierungsfunktionen von Simcenter STAR CCM+ die Windrotation und die erforderlichen Netzänderungen für jede Windrichtung automatisiert werden. Das bedeutet, dass letztendlich alle Windrichtungen ohne großen Aufwand seitens des Ingenieurs simuliert werden können. Somit ist in beiden Fällen (Unterwasserauspuff sowie Schornsteinauspuff) die Gesamtsimulationszeit der begrenzende Faktor.

Lösungsmethoden

In diesem Abschnitt werden zwei Methoden zur Lösung von Abgasen näher erläutert. Beachten Sie, dass diese beiden Methoden nicht die einzigen Methoden zur Lösung von Abgasen in Simcenter STAR CCM+ sind.
Die folgende Abbildung gibt einen schematischen Überblick über die beiden Methoden zur Lösung von Abgasen in Simcenter STAR CCM+. Die erste Methode verwendet einen (einzigen) passiven Skalar. In diesem Fall wird das gesamte Abgas in diesem passiven Skalar eingekapselt. Die Ausbreitung des Abgases durch den Bereich hängt von der eingestellten Diffusionsfähigkeit des passiven Skalars sowie von der turbulenten Schmidt-Zahl ab. Diese Methode erfordert nur sehr wenig Vorbearbeitungsaufwand, da ein einziger passiver Skalar festgelegt und dem Einlass innerhalb des Bereichs hinzugefügt wird, wo die Abgase dem Bereich hinzugefügt werden.
Die zweite Methode nutzt ein Mehrkomponentengas. In diesem Fall wird das Gas in die einzelnen Abgaskomponenten (z. B. Luft, CO, CO2, NOx, SOx, Rußpartikel) unterteilt. Jeder Gaskomponente werden die entsprechenden Materialeigenschaften sowie der korrekte Massenanteil (oder Molanteil) innerhalb des Mehrkomponentengases zugewiesen. Diese Methode erfordert daher einen wesentlich höheren Vorbereitungsaufwand, da für jede Komponente die richtigen Werte hinzugefügt werden müssen. Die Dispersion des Abgases hängt dann von den Gaseigenschaften jeder einzelnen Komponente innerhalb des Abgases ab, wodurch die Methode realistischer wird.

Sobald die Nachbearbeitung beginnt, erfordert die Mehrkomponenten-Gasmethode viel weniger Arbeit, da jede der Gaskomponenten bereits als Feldfunktion in die Simulation einbezogen ist. Die passive Skalarmethode hingegen erfordert viel mehr Nachbearbeitungszeit, da der korrekte prozentuale Anteil jeder Komponente (Luft, CO2, CO, NOx, SOx, Ruß) am gesamten Abgas bekannt sein und in eine Feldfunktion eingegeben werden muss, bevor die einzelnen Komponenten visualisiert werden können. Wenn jedoch nur das Gesamtverhalten des Abgases benötigt wird, liefert die passive Skalar-Methode ein viel schnelleres Ergebnis, da keine Informationen über die einzelnen Komponenten erforderlich sind.

Beispiel

Um die Unterschiede zwischen den beiden Methoden zu veranschaulichen, haben wir einen Testfall erstellt. Der Testfall besteht aus dem Hydrograaf (oder Pakjesboot). In dieser Simulation sind zwei Abgaskanäle (in Abbildung 1 rot dargestellt) sowie vier Kabineneinlässe vorhanden. Es ist unerwünscht, dass Abgase in die Kabine gelangen. Daher interessiert uns, wie viel unserer Abgase die Einlässe der Kabine erreichen..
Abbildung 1: Kabineneinlässe und Abgasauslässe auf dem Hydrograaf

Jeder Kabineneinlass hat einen Luftdurchsatz von 2 kg/s, während jeder der beiden Auslässe eine Geschwindigkeit von 1,28 m/s und eine Abgastemperatur von 300 °C hat. Eine atmosphärische Grenzschicht sorgt dafür, dass die Windgeschwindigkeit um das Schiff herum korrekt modelliert wird, wobei die Windgeschwindigkeit mit 3,5 m/s und einem Winkel von 30° angenommen wird (beachten Sie, dass dies eine Kombination aus der Geschwindigkeit des Schiffes und der Windgeschwindigkeit in einem Winkel ist). Dieser Winkel ermöglicht es uns, die Abgase zu bestimmen, die durch die beiden Einlässe an Steuerbord in die Kabine gelangen (in Abbildung 2 in hell- und dunkelviolett dargestellt) in die Kabine gelangen.
Obwohl diese Simulation, wie oben beschrieben, im stationären Zustand durchgeführt werden kann, haben wir uns in diesem Beispiel dagegen entschieden. Diese Entscheidung wurde getroffen, um nicht nur die Gleichgewichtssituation sowohl für das passive Skalar- als auch für das Mehrkomponentengas zu vergleichen, sondern auch das Verhalten beider Methoden im Zeitverlauf zu bestimmen.

Abbildung 2: Kabineneinlässe von Belang

In Abbildung 3 sind die Ergebnisse der Simulation sowohl für die passive Skalarmethode als auch für die Mehrkomponentengasmethode dargestellt. In Abbildung 3 (oben) ist die Gesamtmenge an CO2 im Zeitverlauf dargestellt, die in die Kabine strömt. Diese Tabelle zeigt, dass die Gesamtmenge an CO2, die in die Kabine gelangt, innerhalb der ersten 20 Sekunden die Sicherheitswerte deutlich überschreitet, danach jedoch deutlich abnimmt. Beachten Sie, dass diese Tabelle die zusätzliche CO2-Menge im Vergleich zu einem Basiswert von 0 angibt. Da die Basismenge an CO2 in der Luft bereits bei etwa 400 ppm liegt, sollte dieser Wert zur Tabelle hinzugefügt werden, um korrekt zu beurteilen, ob eine unsichere Arbeitsumgebung entsteht.
Diese Tabelle zeigt, dass, wenn das Schiff mit einer Windgeschwindigkeit von 3,5 m/s unter einem Winkel von 30° in Bewegung kommt und sich die Windgeschwindigkeit anschließend verringert, während das Schiff seine Geschwindigkeit erhöht, um den Winkel von 30° beizubehalten, diese Grafik einen guten Hinweis auf das Klima in der Kabine gibt. Nach einer Minute nimmt die Gesamtmenge an CO2 in der Kabine immer noch ab, was bedeutet, dass das Klima in der Kabine ausreichend für den Aufenthalt von Personen ist, sobald das Schiff eine konstante Geschwindigkeit erreicht hat.
In Abbildung 3 (Mitte) und Abbildung 3 (unten) ist die Gesamtmenge der anderen Abgaskomponenten für beide Simulationsmethoden dargestellt. Aus diesen Grafiken lässt sich schließen, dass die passive Skalarmethode die Spitzenwerte der in die Kabine eintretenden Abgase zu niedrig ansetzt. Nach einer Minute entsprechen die mit der passiven Skalarmethode ermittelten Werte jedoch den mit der Mehrkomponenten-Gasmethode ermittelten Werten. Daraus lässt sich schließen, dass beide Methoden gleich gut funktionieren, wenn ein Gleichgewichtswert benötigt wird. Sind jedoch Spitzenwerte sehr wichtig, ist die Mehrkomponenten-Gasmethode besser geeignet.

Abbildung 3: CO2-Eintritt in die Kabinenlufteinlässe (oben), Abgaskomponenten-Eintritt in den hinteren Kabinenlufteinlass auf der Steuerbordseite (Mitte), Abgaskomponenten-Eintritt in den vorderen Kabinenlufteinlass auf der Steuerbordseite (unten).

In Abbildung 4 ist der Unterschied zwischen dem Mehrkomponentengas und dem passiven Skalar in Höhe des Einlasses dargestellt. Der Unterschied beim CO2 in diesen Höhen und zu diesem simulierten Zeitpunkt ist sehr gering.

Abbildung 4: CO2-Werte in Kabinenhöhe nach einer simulierten Minute

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie, wenn Sie an den Spitzenwerten der Abgase im Zeitverlauf an bestimmten Stellen auf dem Schiff interessiert sind, am besten ein Mehrkomponentengas verwenden sollten. Auch wenn Sie an den spezifischen Gaskomponenten interessiert sind, ist die Mehrkomponentengasmethode besser geeignet. Der Grund dafür ist, dass sie zwar im Vorfeld mehr Arbeit erfordert, aber nach der Nachbearbeitung weniger fehleranfällig ist, da alle Gaskomponenteneinstellungen festgelegt sind. Die passive Skalar-Methode ist bei stationären Simulationen oder (langen) transienten Simulationen, bei denen nur das allgemeine Verhalten des Abgases von Interesse ist, deutlich leistungsfähiger.