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Monat: Ja.m.

  • Virtueller Schleppkanal – Schiffswiderstand digital berechnen

    Virtueller Schleppkanal – Schiffswiderstand digital berechnen

    Traditionelle Schleppversuche in physischen Modellbecken sind kosten- und zeitintensiv. Unser virtueller Schleppkanal auf Basis von InsightCAE und OpenFOAM ermöglicht präzise Schiffswiderstandssimulationen – schneller, kostengünstiger und vollständig reproduzierbar. Und das Beste: Sie müssen sich selbst nicht mit der Simulationssoftware befassen – wir führen die Simulationen auf Wunsch vollständig in Ihrem Auftrag durch.

    Was ist ein virtueller Schleppkanal?

    Ein Schleppkanal ist traditionell ein langes Wasserbecken, in dem ein maßstäbliches Schiffsmodell physisch durch das Wasser gezogen wird, um Widerstands- und Propulsionskräfte zu messen. Der virtuelle Schleppkanal überträgt dieses Prinzip in die numerische Strömungsmechanik (CFD): Das Schiff wird in einer Computersimulation bei definierten Geschwindigkeiten berechnet – ohne aufwändigen Modellbau, ohne Wartezeiten wegen Beckenbelegung.

    Grundlage unserer Simulationen ist OpenFOAM, die führende Open-Source-CFD-Plattform, kombiniert mit dem InsightCAE-Framework, das den gesamten Simulations-Workflow – von der Gittererzeugung über den Solver bis zur Auswertung – automatisiert und reproduzierbar macht.

    InsightCAE: Effizienz durch Automatisierung

    InsightCAE ist ein Open-Source-Werkzeug zur Automatisierung und Verwaltung von OpenFOAM-Simulationen. Es standardisiert Netzgenerierung, Randbedingungen und Auswertung, sodass Parameterstudien mit minimaler manueller Arbeit durchgeführt werden können. Den Vorteil dieser leistungsfähigen Infrastruktur geben wir direkt an Sie weiter – Sie erhalten professionelle CFD-Ergebnisse, ohne sich selbst in die Software einarbeiten zu müssen.

    Leistungsumfang

    • Widerstandsberechnung: Reibungs- und Druckwiderstand, Wellenbild und Schwimmlage auf Basis von RANS-Gleichungen.
    • Parameterstudien: Systematischer Vergleich von Rumpfvarianten, Tiefgängen und Geschwindigkeitsbereichen.
    • Widerstandskurve: Berechnung über den relevanten Froudezahl-Bereich für Entwurfs- und Betriebsoptimierung.
    • Auswertung & Bericht: Strukturierte Ergebnisberichte mit Druckverteilungen, Strömungsvisualisierungen und vergleichenden Kennwerten.

    Vorteile gegenüber dem physischen Modellversuch

    Virtuelle Schleppversuche reduzieren die Durchlaufzeit von Wochen auf Tage. Geometrievarianten lassen sich ohne neuen Modellbau direkt in der Simulation anpassen. Gleichzeitig entfallen Raumkosten für Modellbecken sowie Reise- und Logistikaufwand. Besonders in frühen Entwurfsphasen, in denen viele Rumpfalternativen bewertet werden müssen, ist die numerische Methode klar im Vorteil.

    Unsere Simulationen orientieren sich an den Empfehlungen der ITTC (International Towing Tank Conference) für CFD-Validierung und Netzkonvergenz, um belastbare, ingenieurmäßig verwertbare Ergebnisse zu liefern.

    So funktioniert eine Beauftragung

    1. Geometrie übergeben – Sie stellen uns die Rumpfgeometrie Ihres Schiffes zur Verfügung, idealerweise als IGES-, STEP- oder STL-Datei. Wenn keine Nachbearbeitungen notwendig werden, können wir sogar einen zusätzlichen Rabatt gewähren.
    2. Randbedingungen definieren – Wir stimmen Tiefgang, Geschwindigkeitsbereich und sonstige Betriebsparameter gemeinsam mit Ihnen ab.
    3. Simulation durchführen – Unser automatisierter InsightCAE-Workflow berechnet den Widerstand und optionale Parametervarianten.
    4. Ergebnisse erhalten – Sie bekommen einen strukturierten Bericht mit Kennwerten, Visualisierungen und Empfehlungen – auswertbar ohne Simulationskenntnisse und digital integrierbar in nachfolgende Auswertungsprozesse.

    Kosten und Preisliste

    Wir geben den Kostenvorteil von Open-Source-Infrastruktur direkt an Sie weiter. Alle Preise finden Sie in unserer Preisliste.

    Zur Preisliste

  • Seegangsverhalten: Methoden, Tools und Kennwerte

    Seegangsverhalten: Methoden, Tools und Kennwerte

    Die Seegangsberechnung ist ein zentrales Element des Schiffsentwurfs und bildet die Grundlage für die Bewertung des Verhaltens von Schiffen und schwimmenden Strukturen in realen Seebedingungen. Sie liefert entscheidende Informationen für Sicherheitsbewertung und Betriebsplanung.

    Was ist Seegangsanalyse und warum ist sie wichtig?

    Unter Seegang versteht man die durch Wind, Wellen und Strömungen erzeugten dynamischen Kräfte, denen ein Schiff auf See ausgesetzt ist. Eine fundierte Seegangsanalyse erlaubt es, das Bewegungsverhalten eines Schiffes bereits in der Entwurfsphase präzise vorherzusagen – bevor der Kiel gelegt wird. Das minimiert teure Korrekturen im Nachhinein und erhöht die Sicherheit an Bord.

    Potentialcodes als Grundlage der Seegangsberechnung

    Die Analyse der Seegangsberechnung wird in der Regel mit Hilfe von Potentialcodes durchgeführt. Diese Methode basiert auf der Potentialströmungstheorie und erlaubt eine schnelle, numerisch stabile Berechnung der hydrodynamischen Kräfte, die auf einen Schiffskörper wirken. Potentialcodes setzen eine inkompressible, reibungsfreie und wirbelfreie Strömung voraus – Annahmen, die für die Seegangsberechnung in vielen praktischen Fällen gut gerechtfertigt sind.

    Response Amplitude Operators (RAOs): Das Herzstück der Bewegungsanalyse

    Kernstück der Seegangsberechnung ist die Ermittlung der Response Amplitude Operators (RAOs) – auch Übertragungsfunktionen genannt – für alle sechs Freiheitsgrade des Schiffes:

    • Surge – Längsbewegung
    • Sway – Querbewegung
    • Heave – Hubbewegung
    • Roll – Rollbewegung
    • Pitch – Stampfbewegung
    • Yaw – Gierbewegung

    RAOs beschreiben, wie stark ein Schiff auf eine Welle einer bestimmten Frequenz und Richtung reagiert. Sie sind frequenzabhängig und werden für verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten und Wellenkurswinkel bestimmt.

    Abgeleitete Kennwerte: Beschleunigungen, Geschwindigkeiten und Seekrankheitskriterien

    Aus diesen RAOs werden anschließend eine Vielzahl praxisrelevanter Kennwerte an beliebigen Orten im Schiff berechnet:

    • Beschleunigungen (z. B. an Arbeitsplätzen, Kranstandorten oder Ladungssicherungspunkten)
    • Geschwindigkeiten der Schiffsbewegung in verschiedenen Seegangsszenarien
    • Häufigkeitskriterien für Seekrankheit (Motion Sickness Incidence, MSI)
    • Relative Bewegungen und Freibord zur Bewertung von Grünwasser-Ereignissen
    • Operabilitätsindizes für den sicheren Einsatz unter bestimmten Seegangsbedingungen

    Diese Ergebnisse fließen direkt in das Schiffsdesign, die Ausrüstungsauslegung sowie die Planung von Offshore-Operationen ein.

    Simulation mit Open-Source-Tools: PDStrip und NEMOH

    Die Simulationen werden mit den bewährten Open-Source-Tools PDStrip oder NEMOH durchgeführt:

    • PDStrip ist ein 2D-Streifenmethoden-Code (Strip Theory), der besonders für schlanke Schiffskörper geeignet ist und sich durch hohe Rechengeschwindigkeit auszeichnet. Er ist ideal für erste Auslegungsiterationen und parametrische Studien.
    • NEMOH ist ein 3D-Potential-Panel-Code, der auf der Randelementemethode (Boundary Element Method, BEM) basiert. Er eignet sich besonders für komplexe Geometrien, schwimmende Offshore-Strukturen und Fälle, bei denen 3D-Effekte nicht vernachlässigt werden dürfen.

    Beide Tools sind in der wissenschaftlichen und ingenieurspraktischen Gemeinschaft etabliert und profitieren von einer aktiven Weiterentwicklung durch Forschungseinrichtungen weltweit.

    Nahtlose Integration in die Schiffswiderstandsanalyse

    Ein wesentlicher Vorteil unseres Ansatzes: Die erforderliche Eingabe für die Seegangsberechnung ist vollständig kompatibel mit der Eingabe für unsere Schiffswiderstandsanalyse. Das bedeutet, dass Geometriedaten und Schiffskennwerte, die einmal aufbereitet wurden, direkt für beide Analysetypen genutzt werden können. Das reduziert den Aufwand erheblich und sorgt für eine konsistente Datenbasis über den gesamten Entwurfsprozess.

    Fazit: Professionelle Seegangsberechnung für sicherere und effizientere Schiffe

    Eine präzise Seegangsanalyse ist unverzichtbar für den modernen Schiffsentwurf. Mit Hilfe von Potentialcodes, RAO-basierter Bewegungsanalyse und leistungsfähigen Open-Source-Tools wie PDStrip und NEMOH lassen sich bereits früh im Entwurfsprozess fundierte Aussagen über das Seeverhalten eines Schiffes treffen. Die enge Verzahnung mit der Widerstandsanalyse macht unseren Workflow besonders effizient.

    Sie haben Fragen zur Seegangsberechnung für Ihr Projekt? Kontaktieren Sie uns – wir beraten Sie gerne.

  • CFD-Analyse und Entwurf von Turbomaschinen mit Open-Source-Software

    CFD-Analyse und Entwurf von Turbomaschinen mit Open-Source-Software

    Turbomaschinen – von Kreiselpumpen und Kompressoren bis hin zu Turbinen und Lüftern – sind das Rückgrat moderner Industrie- und Energieanlagen. Ihre Auslegung und Optimierung erfordert tiefes strömungsmechanisches Verständnis und präzise numerische Werkzeuge. Wir verbinden beides: fundierte Ingenieursexpertise mit modernster CFD-Technologie auf Basis vollständig freier Software.

    Leistungsanalyse und Konstruktion von Turbomaschinen mit CFD

    Wir führen grundlegende Leistungsanalysen und Konstruktionen von Turbomaschinen mit modernsten CFD-Methoden (Computational Fluid Dynamics) durch. Der gesamte Analyse-Workflow ist im InsightCAE-Framework vollständig automatisiert und verwendet ausschließlich Open-Source-Software. Dies ermöglicht sehr kostengünstige Simulationen, kurze Durchlaufzeiten und eine einfache Integration in automatische Optimierungs-Frameworks.

    Was sind Turbomaschinen – und warum ist CFD so entscheidend?

    Turbomaschinen sind rotierende Strömungsmaschinen, die Energie zwischen einem Fluid und einem Rotor übertragen. Sie lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen:

    • Arbeitsmaschinen (z. B. Pumpen, Verdichter, Gebläse): übertragen mechanische Energie auf das Fluid
    • Kraftmaschinen (z. B. Turbinen, Wasserturbinen): entziehen dem Fluid Energie und wandeln sie in Rotationsarbeit um

    Die internen Strömungsvorgänge – Sekundärströmungen, Ablösungen, Stoß-Grenzschicht-Interaktionen, Spaltströmungen – sind komplex und im Detail analytisch kaum vollständig erfassbar. Numerische Strömungssimulation (CFD) ist daher heute das Standardwerkzeug für Auslegung, Analyse und Optimierung dieser Maschinen.

    Unser CFD-Workflow für Turbomaschinen im Detail

    Unser Analyse-Prozess deckt den kompletten Ablauf einer Turbomaschinen-Simulation ab – von der Geometrieaufbereitung bis zur Ergebnisauswertung:

    • Geometrieerstellung und Parametrisierung: Definition der Schaufel- und Gehäusegeometrie, wahlweise auf Basis vorhandener CAD-Daten oder durch parametrische Neukonstruktion
    • Vernetzung (Meshing): Automatisierte Erzeugung strukturierter oder unstrukturierter Rechengitter mit optimierter Wandauflösung (y⁺-Kontrolle) für genaue Grenzschichtmodellierung
    • Stationäre und instationäre Simulation: Berechnung von Betriebspunkten mittels RANS-Turbulenzmodellen; instationäre Rotor-Stator-Interaktionen bei Bedarf
    • Leistungskennlinien: Ermittlung von Freifahrtkurven, Druck-Volumenstrom-Kennlinien, Wirkungsgraden, Kavitationsgrenzen und weiteren maschinenspezifischen Kennwerten
    • Ergebnisauswertung und Visualisierung: Automatisierte Post-Processing-Pipelines liefern reproduzierbare, vergleichbare Reports

    InsightCAE: Vollautomatisierter CFD-Workflow auf Open-Source-Basis

    Das InsightCAE-Framework ist ein leistungsfähiges Open-Source-Automatisierungsframework für CFD- und FEM-Analysen. Es orchestriert bewährte Open-Source-Solver und Werkzeuge zu einem nahtlosen, reproduzierbaren Arbeitsablauf:

    • OpenFOAM als primärer CFD-Solver – industriell erprobt, mit umfangreicher Turbulenzmodell-Bibliothek
    • gmsh / snappyHexMesh für automatisiertes, qualitätskontrolliertes Vernetzen
    • VTK und ParaView für skalierbare, skriptgesteuerte Visualisierung und Auswertung
    • Vollständige Parametrisierung aller Workflow-Schritte – ideal für Variantenrechnungen und Sensitivitätsstudien

    Durch die Automatisierung entfällt manueller Einrichtungsaufwand für jeden einzelnen Simulationslauf. Das reduziert nicht nur Fehlerquellen, sondern verkürzt die Zeit von der Problemstellung bis zum validierten Ergebnis erheblich.

    Nahtlose Integration in Optimierungs-Frameworks

    Ein besonderer Vorteil des automatisierten Workflows ist die einfache Kopplung mit numerischen Optimierungsverfahren. Typische Einsatzszenarien sind:

    • Gradient-basierte Optimierung zur gezielten Verbesserung von Wirkungsgrad oder Druckaufbau
    • Evolutionäre Algorithmen und Surrogate-Modelle (z. B. Gaussian Process Regression) für die Exploration großer Parameterräume
    • Multi-Ziel-Optimierung (z. B. gleichzeitige Maximierung von Wirkungsgrad und Betriebsbereich)
    • Design of Experiments (DoE) zur systematischen Untersuchung geometrischer oder betrieblicher Einflussgrößen

    Da jeder Simulationslauf vollständig skriptgesteuert und parametergesteuert abläuft, lassen sich Hunderte von Varianten ohne manuellen Eingriff berechnen und auswerten.

    Vorteile unseres Ansatzes auf einen Blick

    • Kostengünstig: Keine Lizenzkosten für kommerzielle CFD-Software
    • Schnell: Automatisierter Workflow minimiert manuelle Eingriffe und Durchlaufzeiten
    • Reproduzierbar: Vollständig dokumentierte, versionierbare Simulation-Setups
    • Skalierbar: Von der Einzelsimulation bis zur automatisierten Optimierungskampagne
    • Transparent: Quelloffene Software bedeutet volle Nachvollziehbarkeit aller Berechnungsschritte

    Typische Anwendungsfelder

    Unsere CFD-Analysen für Turbomaschinen kommen in einer Vielzahl von Industrie- und Forschungsprojekten zum Einsatz:

    • Kreiselpumpen und Pumpenturbinen (auch für Wasserkraft und Pumpspeicher)
    • Axial- und Radialverdichter für Prozess- und Energietechnik
    • Schiffspropeller und Düsenpropeller (in Kombination mit unserer Widerstandsanalyse)
    • Lüfter und Ventilatoren für Klima- und Lüftungstechnik
    • Dampf- und Gasturbinen in Kraftwerksanwendungen

    Fazit: Moderne Turbomaschinen-CFD – effizient, offen, optimierbar

    Mit unserem vollautomatisierten CFD-Workflow auf Basis von InsightCAE und Open-Source-Software bieten wir Ingenieurbüros, Herstellern und Forschungseinrichtungen einen leistungsfähigen, kostentransparenten Zugang zu professioneller Turbomaschinen-Simulation. Von der ersten Kennlinienberechnung bis zur automatisierten Formoptimierung – alles aus einer Hand, reproduzierbar und skalierbar.

    Sie planen eine CFD-Analyse für Ihre Turbomaschine? Sprechen Sie uns an – wir finden gemeinsam die passende Simulationsstrategie für Ihr Projekt.

  • Fluid-Struktur-Kopplung für Composite-Propeller: CFD mit OpenFOAM und Code_Aster

    Fluid-Struktur-Kopplung für Composite-Propeller: CFD mit OpenFOAM und Code_Aster

    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.

  • Kavitationsimulation in Turbomaschinen: CFD-Vorhersage mit OpenFOAM

    Kavitationsimulation in Turbomaschinen: CFD-Vorhersage mit OpenFOAM

    Kavitation zählt zu den kritischsten und kostspieligsten Phänomenen in flüssigkeitsdurchströmten Turbomaschinen. Sie begrenzt den Betriebsbereich, mindert den Wirkungsgrad, verursacht Lärm und Vibrationen – und kann im schlimmsten Fall innerhalb kurzer Zeit zu irreversiblen Materialschäden führen. Die CFD-basierte Kavitationssimulation ist heute das zuverlässigste Werkzeug, um diesem Phänomen bereits in der Auslegungsphase wirksam zu begegnen.

    Was ist Kavitation – und warum ist sie so gefährlich?

    Kavitation bezeichnet die lokale Verdampfung einer Flüssigkeit infolge eines Druckabfalls unter den dampfdruckabhängigen Siedepunkt – ohne Temperaturerhöhung. In Turbomaschinen tritt dieser Druckabfall typischerweise an Stellen hoher Strömungsgeschwindigkeit auf: an der Saugseite von Pumpenlaufrädern, an der Druckkante von Propellerflügeln oder in engen Spaltbereichen.

    Die entstehenden Dampfblasen kollabieren schlagartig, sobald sie in Bereiche höheren Drucks gelangen. Dieser Kollaps erzeugt:

    • Mikroimpulsstrahlen mit lokalen Druckspitzen von mehreren tausend Bar – Hauptursache für Materialabtrag (Kavitationserosion)
    • Druckpulsationen und Vibrationen, die Lager, Dichtungen und angrenzende Strukturen belasten
    • Lärmentwicklung durch breitbandige akustische Emissionen im charakteristischen Knister- und Klopfgeräusch
    • Leistungseinbruch: Große Kavitationsgebiete blockieren die Strömungsquerschnitte und führen zum Zusammenbruch von Förderhöhe oder Schub

    Kavitation als limitierendes Phänomen für Turbomaschinen

    Die Kavitation ist ein limitierendes Phänomen für Turbomaschinen, die in Flüssigkeiten betrieben werden. Für die Vorhersage des Kavitationsbeginns und seiner Auswirkungen auf die Maschinenleistung wird die CFD-Simulation als zuverlässigstes Verfahren eingesetzt. Betroffen sind nahezu alle Maschinentypen, in denen Flüssigkeiten beschleunigt oder umgelenkt werden:

    • Kreiselpumpen – besonders bei niedrigem Zulaufdruck (NPSH-Unterschreitung)
    • Schiffs- und Unterwasserpropeller – bei hoher Belastung oder im Teillastbetrieb
    • Pumpenturbinen und Wasserturbinen (Francis, Kaplan, Pelton) – in Teillast- und Überlastbereichen
    • Hydraulikmotoren und -pumpen in Hochdrucksystemen
    • Inducer-Stufen in Raketentriebwerken und Hochleistungspumpen

    Kavitationssimulation mit CFD: Physikalische Grundlagen

    Moderne CFD-Kavitationsmodelle basieren auf einem Zweiphasenansatz: Die Strömung wird als Gemisch aus flüssiger und dampfförmiger Phase modelliert, wobei der lokale Dampfvolumenanteil durch eine Transportgleichung gesteuert wird. Etablierte Modellansätze sind:

    • Schnerr-Sauer-Modell: Basiert auf der vereinfachten Rayleigh-Plesset-Gleichung für das Blasenwachstum; gut validiert für Pumpenkavitation
    • Zwart-Gerber-Belamri-Modell: Berücksichtigt die Wechselwirkung zwischen Blasenpopulation und Massentransfer; weit verbreitet in industriellen Anwendungen
    • Merkle-Modell: Druckbasierter Massentransfer-Ansatz, besonders stabil bei transienten Berechnungen

    Ergänzt wird das Kavitationsmodell durch geeignete Turbulenzmodelle (k-ω SST, k-ε Realizable) und – bei Bedarf – durch Modelle für thermische Effekte, die bei kryogenen Fluiden oder heißem Wasser relevant werden.

    Was leistet die CFD-Kavitationssimulation konkret?

    Eine sorgfältig aufgesetzte Kavitationssimulation liefert weit mehr als nur eine Aussage darüber, ob Kavitation auftritt. Typische Ergebnisse umfassen:

    • Kavitationsbeginn (Inception): Bestimmung des kritischen Betriebspunkts (Druck, Volumenstrom, Drehzahl), ab dem Kavitation einsetzt – als Grundlage für NPSH-Kurven und Sicherheitsnachweise
    • Räumliche Kavitationsausbreitung: Visualisierung der Dampfvolumenanteile über Schaufeloberflächen, im Spalt oder im Saugmund – zur Identifikation erosionsgefährdeter Bereiche
    • Leistungsabfall durch Kavitation: Quantifizierung des Förderhöhen- oder Schubabfalls in Abhängigkeit des Kavitationsindexes σ
    • Instationäre Kavitationsdynamik: Simulation periodisch kollabierender Kavitationsstrukturen (Cloud Cavitation, Sheet Cavitation) und ihrer Druckpulsationen
    • Erosionspotenzial-Karten: Identifikation von Materialabtragszonen durch Auswertung lokaler Druckimpulse beim Blasenkollaps

    Unser Workflow: Kavitationssimulation mit Open-Source-Software

    Unsere Kavitationssimulationen werden vollständig mit Open-Source-Software durchgeführt – primär mit OpenFOAM und eingebettet in den automatisierten InsightCAE-Workflow:

    • Geometrie und Vernetzung: Automatisierte Netzgenerierung mit feiner Wandauflösung und Netzverdichtung in kavitationsgefährdeten Bereichen
    • Stationäre Voruntersuchung: Schnelle Bewertung des Druckfeldes und Identifikation kritischer Zonen ohne Kavitationsmodell
    • Instationäre Kavitationssimulation: Aktivierung des Zweiphasenmodells und Berechnung des zeitabhängigen Kavitationsverhaltens
    • Automatisiertes Post-Processing: Kennlinienauswertung, Visualisierung der Dampfvolumenanteile, Druckpulsationsanalyse
    • Parametervariation: Systematische Berechnung mehrerer Betriebspunkte zur Erstellung vollständiger NPSH-Kurven

    Kavitationssimulation als Grundlage für kavitationsrobuste Auslegung

    Die eigentliche Stärke der CFD-basierten Kavitationsanalyse liegt nicht allein in der Diagnose – sondern in der Optimierung. Auf Basis der Simulationsergebnisse lassen sich gezielt konstruktive Maßnahmen ableiten und bewerten:

    • Anpassung der Schaufelgeometrie (Profilform, Einlaufkante, Wölbung) zur Druckverteilungsoptimierung
    • Variation des Zulaufdrucks und des Laufrad-Vordralles
    • Einsatz kavitationsresistenter Werkstoffe in identifizierten Erosionszonen
    • Geometrische Optimierung von Inducer-Stufen zur NPSH-Absenkung

    In Kombination mit unserem automatisierten Optimierungs-Framework lassen sich viele Geometrievarianten systematisch auf ihr Kavitationsverhalten untersuchen – ohne manuellen Mehraufwand je Variante.

    Fazit: Kavitation berechnen, bevor sie Schäden verursacht

    Kavitation in Turbomaschinen ist kein unbeherrschbares Schicksal – sie ist berechenbar, lokalisierbar und durch gezielte Konstruktionsmaßnahmen beherrschbar. Die CFD-Kavitationssimulation auf Basis von OpenFOAM bietet dafür das genaueste und kosteneffizienteste Werkzeug: ohne Lizenzkosten, vollständig automatisierbar und direkt in den Entwurfsprozess integrierbar.

    Sie möchten das Kavitationsverhalten Ihrer Pumpe, Ihres Propellers oder Ihrer Turbine numerisch untersuchen? Kontaktieren Sie uns – wir analysieren Ihre Maschine und identifizieren Optimierungspotenziale, bevor es zu Schäden kommt.

  • Propulsionsanalyse und Antriebsleistungsvorhersage mit Open-Source-Software

    Propulsionsanalyse und Antriebsleistungsvorhersage mit Open-Source-Software

    Nach der Bestimmung einer Propeller-Freifahrtkurve mit CFD (Computational Fluid Dynamics) oder einem anderen Berechnungsverfahren ist eine weitere Analyse – insbesondere eine Propulsionsanalyse – erforderlich, um die Antriebsleistung für ein bestimmtes Schiff zuverlässig vorherzusagen. Wir haben spezialisierte Analysesoftwarelösungen entwickelt, die eine nahtlose Integration in den Schiffsdesignprozess ermöglichen und sich dabei ausschließlich auf Open-Source-Software stützen.

    Von der Freifahrtkurve zur Antriebsanalyse

    Die Propeller-Freifahrtkurve (auch Open-Water-Kurve genannt) beschreibt das hydrodynamische Verhalten eines Propellers unter definierten Bedingungen – ohne Einfluss des Schiffsrumpfes. Sie liefert die grundlegenden Kennzahlen wie Schubbeiwert (KT), Drehmomentbeiwert (KQ) und Propellerwirkungsgrad (η) in Abhängigkeit vom Fortschrittsgrad (J).

    Diese Kurve bildet die Grundlage für alle weiterführenden Analysen, ist für sich allein jedoch nicht ausreichend, um die tatsächliche Antriebsleistung im realen Schiffsbetrieb zu bestimmen. Erst durch eine vollständige Antriebsanalyse – unter Berücksichtigung von Rumpfwiderstand, Nachstrom, Sog und mechanischen Verlusten – lässt sich eine belastbare Leistungsvorhersage treffen.

    Antriebsanalyse: Methodik und Berechnungsschritte

    Eine vollständige Schiffsantriebsanalyse umfasst typischerweise folgende Schritte:

    • Widerstandsvorhersage: Bestimmung des Gesamtwiderstands des Schiffes bei gegebener Geschwindigkeit, z. B. durch CFD-Simulation oder auf Basis anerkannter Näherungsverfahren (ITTC-Methoden, Holtrop-Mennen).
    • Propeller-Rumpf-Interaktion: Berücksichtigung von Nachstromziffer (w), Sogziffer (t) und relativem Rotationswirkungsgrad (ηR).
    • Betriebspunktbestimmung: Ermittlung des Arbeitspunktes von Propeller und Motor im Zusammenspiel (Self-Propulsion Point).
    • Leistungsvorhersage: Berechnung der erforderlichen Wellenleistung unter Einbeziehung von Getriebe- und Lagerverlusten.
    • Seegangs- und Fouling-Zuschläge: Ergänzung praxisrelevanter Zuschläge für Betrieb unter realen Bedingungen (Sea Margin, Fouling Allowance).

    Unsere Open-Source-basierten Softwarelösungen

    Wir haben maßgeschneiderte Analysesoftwarelösungen entwickelt, die ausschließlich auf Open-Source-Technologien basieren – transparent, flexibel und kosteneffizient. Unsere Tools sind darauf ausgelegt, sich nahtlos in bestehende Designprozesse zu integrieren, ob im frühen Konzeptstadium oder in der detaillierten Entwurfsphase.

    Die Vorteile unseres Open-Source-Ansatzes:

    • Transparenz und Nachvollziehbarkeit: Alle Berechnungsschritte sind offen einsehbar und wissenschaftlich prüfbar.
    • Unabhängigkeit von kommerziellen Lizenzmodellen: Keine versteckten Kosten, keine Herstellerabhängigkeit.
    • Interoperabilität: Einfache Anbindung an gängige CFD-Pakete (z. B. OpenFOAM) und weitere Designwerkzeuge.
    • Anpassbarkeit: Vollständige Anpassung an projektspezifische Anforderungen und Schiffstypen.
    • Community und Weiterentwicklung: Profitieren Sie von einer aktiven Open-Source-Community und kontinuierlichen Verbesserungen.

    Einsatzgebiete und Schiffstypen

    Unsere Analysemethoden sind für eine Vielzahl von Schiffstypen und Anwendungsbereichen geeignet, darunter:

    • Handelsschiffe (Containerschiffe, Tanker, Bulker)
    • Arbeitsschiffe und Offshore-Versorger
    • Fähren und Passagierschiffe
    • Forschungs- und Spezialfahrzeuge
    • Sportboote und Yachten

    Fazit: Effiziente Leistungsvorhersage im modernen Schiffsentwurf

    Die Kombination aus präziser CFD-basierter Propelleranalyse und einer strukturierten Antriebsanalyse bildet heute den Stand der Technik im hydrodynamischen Schiffsentwurf. Mit unseren Open-Source-Softwarelösungen bieten wir Schiffbauingenieuren und Designbüros ein leistungsfähiges, transparentes und kosteneffizientes Werkzeug – von der Freifahrtkurve bis zur finalen Leistungsvorhersage.

    Kontaktieren Sie uns, um mehr über unsere Analysemethoden und Softwarelösungen zu erfahren, oder sehen Sie sich unsere Fallstudien und Referenzprojekte an.

  • Hochgeschwindigkeits-Gleitboote

    Hochgeschwindigkeits-Gleitboote

    VOF-Simulation von Hochgeschwindigkeits-Gleitbooten: Herausforderungen und Lösungen

    Die numerische Strömungssimulation (CFD) von schnellen Wasserfahrzeugen — insbesondere Gleitbooten und Gleitjachten — stellt selbst erfahrene Ingenieurbüros vor erhebliche Herausforderungen. Besonders das weitverbreitete Volume-of-Fluid-Verfahren (VOF) zeigt bei hohen Froude-Zahlen und Gleitgeschwindigkeiten spezifische numerische Schwächen, die ohne gezielte Gegenmaßnahmen zu unzuverlässigen oder gar unbrauchbaren Simulationsergebnissen führen.

    Wir haben spezialisierte Methoden entwickelt, um diese Probleme zu überwinden — und liefern zuverlässige VOF-Simulationsergebnisse für Hochgeschwindigkeits-Gleitboote in kurzer Zeit und zu wettbewerbsfähigen Kosten.

    Was ist das VOF-Verfahren und warum wird es eingesetzt?

    Das Volume-of-Fluid-Verfahren ist eine der meistgenutzten Methoden zur Simulation von Mehrphasenströmungen in der Schifffahrtssimulation. Es modelliert die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft durch die Verfolgung eines Volumenanteils in jedem Rechengitterzelle. Für die Untersuchung von Wellenerzeugung, Trimmwinkel, Widerstand und dynamischer Schwimmhaltung von Wasserfahrzeugen ist das VOF-Verfahren das Standardwerkzeug in der modernen maritimen CFD.

    Typische numerische Probleme bei Gleitbooten mit hoher Geschwindigkeit

    Beim Übergang vom Verdränger- in den Gleitbereich — ab Froude-Zahlen von etwa Fr > 0,5 — treten im VOF-Verfahren charakteristische Probleme auf:

    • Numerische Diffusion an der Wasseroberfläche, die die Wellenstruktur verfälscht
    • Instabilitäten durch starke Druckgradienten am Rumpfboden und an der Spraylinie
    • Konvergenzprobleme bei großen dynamischen Trimmwinkeln
    • Übermäßig feines Gitter nötig, um Spraybildung und Wellentäler korrekt aufzulösen
    • Zeitschrittrestriktionen durch Courant-Bedingungen in der Grenzflächenregion
    • Problematische Kopplung zwischen Seegangsmodell und Rumpfbewegung bei hohen Geschwindigkeiten

    Diese Probleme betreffen sowohl Open-Source-Solver wie OpenFOAM als auch kommerzielle Pakete wie STAR-CCM+ und FINE/Marine.

    Unsere Lösungsansätze für zuverlässige CFD-Ergebnisse

    Auf Basis umfangreicher Projekterfahrung mit Rennbooten, Hochgeschwindigkeitsfähren, Militärpatrouillenbooten und Sportmotoryachten haben wir ein erprobtes methodisches Framework entwickelt:

    • Angepasste Gitterstrategien (adaptive Verfeinerung, overset mesh) für die Freiflächenregion
    • Robuste Zeitschrittsteuerung kombiniert mit impliziten VOF-Advektionsschemata
    • Speziell kalibrierte Turbulenzmodelle (k-ω SST, modifizierte Wandbehandlung) für Gleitbedingungen
    • Validierte Randbedingungen für Einlauf, Wellenabsorption und dynamische Rumpfbewegung
    • Effiziente Parallelisierung zur Reduzierung der Rechenzeit auf praxistaugliche Durchlaufzeiten

    Was wir berechnen können

    Unsere VOF-Simulationen für schnelle Wasserfahrzeuge umfassen typischerweise folgende Größen und Fragestellungen:

    • Gesamtwiderstand und dessen Komponenten (Reibungs-, Druckwiderstand, Sprayresistance)
    • Dynamischer Trimmwinkel und Absunkbetrag (Squat) in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Beladung
    • Druckverteilung am Unterwasserschiff und Sprayflächenmuster
    • Vergleich von Rumpfvarianten im Rahmen der Vorentwurfsoptimierung
    • Seegangsverhalten (Seakeeping) und Beschleunigungen bei Wellenbegegnung
    • Propeller-Rumpf-Wechselwirkung und Wellenprofil im Kielwasser

    Anwendungsgebiete

    Unsere Expertise in der Gleitboot-CFD ist relevant für Entwickler und Betreiber von Rib-Booten, Schnellbooten (Offshore-Patrol-Vessels), Rennkatamaranen, Wasserflugzeug-Schwimmerkörpern sowie Sport- und Freizeitbooten mit Gleiterrumpf.

    Häufig gestellte Fragen (FAQ)

    Wie lange dauert eine typische Gleitboot-CFD-Simulation?

    Je nach Komplexität des Rumpfes und gefragter Genauigkeit liegen typische Rechenzeiten zwischen wenigen Stunden und einigen Tagen auf modernen HPC-Systemen. Durch unsere optimierten Gitter- und Lösereinstellungen reduzieren wir die Time-to-Result deutlich gegenüber Standardworkflows.

    Kann VOF auch für Rumpfoptimierung verwendet werden?

    Ja. VOF-Simulationen eignen sich gut für parametrische Studien, bei denen mehrere Rumpfvarianten systematisch verglichen werden. Die relative Rangfolge der Designs ist in der Regel sehr zuverlässig, auch wenn die absoluten Widerstandswerte Validierungsdaten erfordern.

    Welche Software wird eingesetzt?

    Wir setzen ausschließlich auf OpenFOAM — den leistungsfähigen Open-Source-CFD-Solver, der in der maritimen Forschung und Industrie weit verbreitet ist. Das ermöglicht uns volle Kontrolle über Gitter, Lösereinstellungen und Postprocessing, ohne Lizenzkosten, die an den Kunden weitergegeben werden müssten.