Numerical analysis of propeller-induced higher-order pressure fluctuations on the ship hull

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Validierung einer hybriden Simulationsmethode zur Untersuchung propellerinduzierter Druckschwankungen höherer Ordnung in kavitierender Strömung. Es werden zwei Arten von Propellerkavitation berücksichtigt: Schichtkavitation auf den Flügeln des Propellers und Spitzenwirbelkavitation. Dabei stellt sich heraus, dass insbesondere die Interaktion zwischen Schicht- und Spitzenwirbelkavitation zu stärkeren Druckschwankungen höherer Ordnung führen kann. Herzstück der neu entwickelten Methode ist das Paneelverfahren panMARE, welches zur Bestimmung der Propellerumströmung und von Schichtkavitation eingesetzt wird. Darüber hinaus sind auch Teile des Rumpfes oberhalb des Propellers im Paneelmodell enthalten, wodurch es möglich wird, dort die propellerinduzierten Druckschwankungen auszuwerten. Der Propeller arbeitet im effektiven Nachstromfeld des Schiffes, welches aus der mit viskosen Effekten behafteten Wechselwirkung zwischen Propeller und Rumpf resultiert. Um dieses zu bestimmen, wird ein RANSE-Löser in Kombination mit panMARE eingesetzt. Beide Verfahren werden mithilfe eines sog. body force-Ansatzes gekoppelt. Die Rumpfumströmung wird dabei durch den RANSE-Löser bestimmt und die Wirkung des Propellers durch eine äquivalente und durch panMARE bestimmte Verteilung von Kräften angenähert, die in die viskose Rumpfumströmung eingebracht wird. Um Spitzenwirbelkavitation zu simulieren, wird der kavitierende Wirbelkern in zahlreiche Segmente unterteilt, die jeweils separat betrachtet werden. Auf diese Weise wird aus dem dreidimensionalen Problem ein zweidimensionales, wodurch sich der Aufwand drastisch reduziert. Für jedes Segment werden die Impulsgleichungen in zylindrischen Koordinaten gelöst, was zu einer Gleichung ähnlich der Rayleigh-Plesset-Gleichung führt. Um die Interaktion mit Schichtkavitation zu berücksichtigen, erfolgt die Initialisierung des Kavitationsradius entsprechend der Dicke der Kavitation an der Austrittskante des Propellers im Bereich der Blattspitze. Dieser Parameter wird zusammen mit weiteren Parametern mithilfe fein aufgelöster RANS-Simulationen der Blattspitzenumströmung ermittelt. Drei Schiffe dienen der Validierung und Erprobung der Methode. Die Simulationsergebnisse werden mit experimentellen Ergebnissen und - sofern vorhanden - mit Großausführungsmessdaten verglichen. Darüber hinaus werden zwei Arten von Maßstabseffekten bezüglich der Reynoldszahl behandelt: der Einfluss des Nachstromfelds auf das Verhalten von Schichtkavitation sowie der Einfluss des viskosen Kernradius auf moderate bzw. sich entwickelnde Spitzenwirbelkavitation.