Moderne Schiffs- und Strömungspropeller aus Faserverbundwerkstoffen bieten gegenüber klassischen Metallpropellern erhebliche Vorteile – geringeres Gewicht, verbesserte Kavitationseigenschaften und die Möglichkeit zur passiven Pitchanpassung durch gezielte Anisotropie. Doch ihre Flexibilität stellt die Auslegung vor besondere Herausforderungen: Die aerodynamische oder hydrodynamische Performance kann nur dann korrekt bewertet werden, wenn die strukturelle Verformung unter Betriebslast in die Simulation einbezogen wird.

Composite-Propeller: Chancen und konstruktive Herausforderungen

Propeller mit Flügeln aus Faserverbundwerkstoffen – insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) – sind unter Betriebslasten elastisch verformbar. Diese Flexibilität ist kein Konstruktionsfehler, sondern kann gezielt genutzt werden:

• Passive Pitchanpassung: Durch gezielte Faser-Orientierung verwindet sich der Flügel bei steigender Last in eine günstigere Anströmung – automatisch, ohne aktive Mechanik
• Kavitationsreduktion: Die Anpassung der Blattgeometrie unter Last kann Druckspitzen glätten und so das Kavitationsrisiko senken
• Lärmminderung: Geringere Druckpulsationen durch optimierte Lastverteilung über das Blatt
• Gewichtsersparnis: CFK-Propeller sind bei gleicher Steifigkeit deutlich leichter als Bronze- oder Edelstahlpropeller

Die Kehrseite: Bei der Auslegung muss die Verformung der Flügel unter Betriebslast zwingend berücksichtigt werden. Eine rein starre CFD-Simulation würde die tatsächliche Geometrie im Betrieb – und damit Schub, Drehmoment und Wirkungsgrad – systematisch falsch vorhersagen.

Was ist Fluid-Struktur-Kopplung (FSI)?

Die Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) beschreibt die wechselseitige Beeinflussung zwischen einem strömenden Fluid und einer elastischen Struktur. Im Fall eines Composite-Propellers bedeutet das:

• Das Fluid (Wasser oder Luft) erzeugt Druckkräfte auf die Propellerflügel
• Die Struktur verformt sich infolge dieser Kräfte elastisch
• Die veränderte Geometrie beeinflusst wiederum die Strömung – und damit die Druckverteilung
• Dieser Kreislauf wird iterativ bis zur Konvergenz gelöst

Je nach Steifigkeit der Struktur und Stärke der Strömungskräfte kann dieser Kopplungseffekt klein und vernachlässigbar sein – oder so dominant, dass er die Auslegung grundlegend bestimmt. Bei flexiblen Composite-Propellern ist Letzteres der Regelfall.

Unsere Softwarelösung: OpenFOAM + Code_Aster vollständig gekoppelt

Wir haben eine spezialisierte Softwarelösung für die FSI-Simulation von Composite-Propellern entwickelt, die zwei führende Open-Source-Programme zu einem leistungsfähigen, vollautomatisierten Workflow verbindet:

• OpenFOAM übernimmt die CFD-Simulation: Berechnung des Strömungsfeldes, der Druckverteilung und der hydrodynamischen Kräfte auf den Propellerflügel – inklusive rotierender Gitterregionen (MRF oder Sliding Mesh)
• Code_Aster löst die strukturmechanische Seite: Finite-Elemente-Analyse des anisotropen Verbundwerkstoffs unter den übertragenen Fluidkräften, Berechnung von Verformungen und Spannungen im Laminat
• Ein Kopplungsalgorithmus überträgt Kräfte und Verschiebungen zwischen beiden Solvern und aktualisiert das CFD-Rechengitter entsprechend der strukturellen Verformung (dynamisches Mesh Morphing)

Beide Werkzeuge sind vollständig quelloffen – ohne Lizenzkosten, mit voller Transparenz und maximaler Anpassbarkeit an spezifische Projektanforderungen.

Technische Besonderheiten unserer FSI-Lösung

• Anisotrope Materialmodellierung: Code_Aster bildet den laminaren Aufbau von CFK- und GFK-Strukturen schichtenweise ab – inklusive richtungsabhängiger Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften
• Kavitationsmodellierung: Optional kann die FSI-Simulation um ein Kavitationsmodell erweitert werden, um die Wechselwirkung zwischen Phasenumwandlung und Blattverformung zu erfassen
• Automatisierter Workflow: Die gesamte Simulationskette – Vernetzung, Solver-Setup, Kopplung, Post-Processing – ist im InsightCAE-Framework skriptgesteuert und reproduzierbar

Ergebnisse und Kennwerte aus der FSI-Simulation

Aus einer vollständigen Fluid-Struktur-Simulation für Composite-Propeller erhalten Sie unter anderem:

• Schub- und Drehmomentkennlinien unter Berücksichtigung der realen Betriebsgeometrie
• Verschiebungsfeld (daraus Durchbiegung, Verdrehung, Torsion) über das gesamte Propellerblatt
• Spannungs- und Dehnungsverteilungen im Laminat – Grundlage für Festigkeitsnachweise nach Puck, Tsai-Wu oder ähnlichen Kriterien
• Druckverteilung auf der Saug- und Druckseite der Flügel
• Kavitationsindex und Kavitationsausbreitung (bei erweiterter Modellierung)
• Effizienz und Betriebspunktstabilität über den gesamten Kennlinienbereich

Anwendungsgebiete

Unsere FSI-Lösung für Composite-Propeller ist in folgenden Bereichen einsetzbar:

• Schiffspropeller aus CFK oder GFK für Hochleistungs- und Sportboote
• Unterwasserdrohnen und AUV-Antriebe mit Geräuschemissions- oder Leichtbauanforderungen
• Windturbinen-Rotorblätter (Kleinwindanlagen, vertikalachsige Systeme)
• Gezeiten-Strömungsturbinen mit flexiblen Verbundwerkstoffblättern
• Forschungsanwendungen zur Validierung von FSI-Algorithmen

Fazit: Präzise Propellerauslegung durch physikalisch konsistente FSI-Simulation

Wer Composite-Propeller mit starrer CFD auslegt, riskiert systematische Fehler in Leistungsvorhersage und Strukturauslegung. Unsere gekoppelte Simulationslösung auf Basis von OpenFOAM und Code_Aster schließt diese Lücke – kosteneffizient, transparent und vollständig automatisiert. Damit legen Sie Composite-Propeller so aus, wie sie tatsächlich arbeiten: verformt, belastet und leistungsoptimiert.

Sie entwickeln einen Propeller aus Faserverbundwerkstoffen und benötigen eine belastbare FSI-Simulation? Kontaktieren Sie uns – wir begleiten Sie von der Geometrie bis zum validierten Ergebnis.