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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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Kosten und Preisliste

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

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.

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.

Schiffswiderstandsberechnung mit Open-Source-CFD: Das InsightCAE Framework

Die hydrodynamische Optimierung von Schiffen ist eine der zentralen Herausforderungen im modernen Schiffbau. Ein niedriger Schiffswiderstand reduziert den Treibstoffverbrauch, senkt CO₂-Emissionen und verbessert die Wirtschaftlichkeit des gesamten Betriebs. Gleichzeitig erfordert die präzise Berechnung des Schiffswiderstands traditionell tiefes Expertenwissen in der Computational Fluid Dynamics (CFD) sowie kostspielige kommerzielle Softwarelizenzen.

Mit unserem InsightCAE Framework bieten wir eine vollautomatisierte Schiffswiderstandsberechnung mit ausschließlich Open-Source-CFD-Software an. Es entfallen nicht nur die Kosten für Softwarelizenzen, sondern auch Anwender mit wenig Spezialwissen können dank der Automatisierung die recht komplizierten CFD-Analysen selbständig durchführen.

Was ist Schiffswiderstandsberechnung?

Der Schiffswiderstand – auch hydrodynamischer Widerstand oder ship resistance genannt – beschreibt die Gesamtheit der Kräfte, die der Vorwärtsbewegung eines Schiffes entgegenwirken. Er setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen: dem viskosen Reibungswiderstand, dem Druckwiderstand sowie dem wellenbedingten Widerstand (Wellenwiderstand). Für eine realistische Simulation müssen Freie-Oberflächen-Effekte, Trimmlage und Squat-Verhalten berücksichtigt werden – Aufgaben, die mit modernen CFD-Methoden zuverlässig lösbar sind.

CFD-Simulation im Schiffbau: Open Source statt proprietärer Software

Für die Strömungssimulation im Schiffbau kommen typischerweise Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) zum Einsatz, kombiniert mit geeigneten Turbulenzmodellen wie k-ω SST. Das InsightCAE Framework nutzt hierfür bewährte Open-Source-Werkzeuge wie OpenFOAM, eines der leistungsfähigsten frei verfügbaren CFD-Pakete weltweit. Der Wegfall kommerzieller Lizenzkosten – die bei Programmen wie STAR-CCM+ oder ANSYS Fluent schnell fünf- bis sechsstellige Jahresbeträge erreichen – macht hochwertige Schiffshydrodynamik-Simulationen auch für kleinere Ingenieurbüros, Werften und Forschungseinrichtungen wirtschaftlich zugänglich.

Vollautomatisierter Workflow: Von der Geometrie zum Ergebnis

Der entscheidende Vorteil des InsightCAE Frameworks liegt in seiner durchgängigen Automatisierung:

• Geometrieverarbeitung: Automatische Aufbereitung und Vernetzung (Meshing) der Schiffsgeometrie auf Basis standardisierter Eingabeformate
• Randbedingungen & Physikmodelle: Automatische Konfiguration von Geschwindigkeit, Flachwassertiefe, Beladungszustand und Umgebungsbedingungen
• Solver-Steuerung: Vollautomatischer Start, Überwachung und Konvergenzprüfung der CFD-Simulation
• Auswertung & Reporting: Automatisierte Extraktion der Widerstandskomponenten sowie Erstellung aussagekräftiger Berichte

Dieser Workflow ermöglicht es, serielle Parameterstudien – etwa zur Optimierung von Rumpfform, Bugwulst oder Heckgeometrie – effizient und reproduzierbar durchzuführen.

Für wen eignet sich das InsightCAE Framework?

• Schiffbauingenieure und Konstruktionsbüros, die CFD-Analysen in frühe Entwurfsphasen integrieren möchten
• Werften, die interne Simulationskapazitäten ohne hohe Lizenzkosten aufbauen wollen
• Forschung und Lehre, wo Open-Source-Zugänglichkeit und Transparenz der Methoden besonders wichtig sind
• Betreiber und Reedereien, die Bestandsschiffe auf Effizienz analysieren oder Retrofits bewerten möchten

Fazit

Die Kombination aus Open-Source-CFD, intelligenter Automatisierung und niedrigen Einstiegshürden macht das InsightCAE Framework zu einer zukunftsweisenden Lösung für die numerische Schiffshydrodynamik. Hochwertige Schiffswiderstandsberechnungen sind damit keine Domäne weniger Spezialisten mehr – sie werden zum zugänglichen Werkzeug für alle, die Schiffe effizienter, wirtschaftlicher und nachhaltiger gestalten wollen.