Ausbildung nachlaufender Wirbel an einem Schiffsrumpf mit großem Driftwinkel
Dr.-Ing. Dag Feder, DLR/Institut für Maritime Energiesysteme, Curt-Bartsch-Preisträger 2023
Tragflügel erfüllen nicht nur den Menschheitstraum vom Fliegen, sondern werden auch in vielen anderen Bereichen eingesetzt: im Schiffbau unter Anderem als Segel, Flossen, Ruder oder Propeller. Neben der Auftriebskraft werden dabei Spitzenwirbel erzeugt, aus strömungsmechanischer Sicht ganz interessante Strukturen.
In dieser Arbeit wird ein driftender Schiffsrumpf untersucht, der einen Tragflügel extrem kleiner Spannweite darstellt, und somit zu einer komplexen Strömung mit mehreren Ablösungen und Wirbeln führt. Der Fokus liegt auf der Untersuchung grundlegender Eigenschaften dieser Wirbel und dem Vergleich mit normalen Tragflügeln: Die kohärente Querbewegung (das sogenannte Wandern) wird erstmals an einem Schiff und im Nahfeld betrachtet. Eine 2D-Korrelation zeigt die Anregung durch die umgebende Wirbelschicht; die Wechselwirkung zwischen den Wirbelpaaren des Doppelrumpfes ist vernachlässigbar. Der bedeutende Unterschied zu Tragflügeln im Fernfeld ist die stärkere Krümmung der momentanen Wirbelachse. Das macht gängige Verfahren zur Korrektur der Wanderbewegung fraglich. Eine eingeschränkte Korrektur zeigt, dass durch das Wandern bis zu zwei Drittel der Turbulenz im Wirbelzentrum erzeugt werden. Außerdem deutet sich an, dass die axiale Übergeschwindigkeit nicht proportional zur Wirbelzirkulation wächst, anders als bei normalen Tragflügeln im Fernfeld.
Die Ergebnisse basieren auf Simulationen mit einem hybriden RANS-LES-Modell. Eine mögliche Anwendung ähnlicher Simulationen liegt in der Bestimmung des komplexen Nachstromfeldes von manövrierenden Schiffen.
Evolution of trailing vortices around a ship hull at large drift angle
Lifting wings not only fulfill the human dream of flying, but are also used in many other applications: in shipbuilding, for example, as sails, fins, rudders or propellers. In addition to the lift force, trailing vortices are generated, which are quite interesting structures from a fluid mechanics point of view.
In this work, a drifting ship hull is investigated, which represents a wing of extremely small span, leading to a complex flow with multiple flow separations and vortices.
The focus is on investigating fundamental properties of these vortices and comparing them to standard wings: The coherent transverse motion (called wandering) is considered for the first time on a ship and in the near field. A 2D correlation shows the excitation by the surrounding vortex sheet; the interaction between the vortex pairs of the double body is negligible. The significant difference from wings in the far field is the higher curvature of the instantaneous vortex axis. This renders common methods of correcting for wandering questionable.
A restricted correction reveals that wandering generates up to two thirds of the turbulence at the vortex centre.
Besides and contrary to normal wings in the far field, no clear linear relation between the vortex circulation and the axial velocity surplus is present.
All results are based on simulations using a hybrid RANS-LES model. A potential application of similar simulations is the prediction of the complex wake field of manoeuvring ships.
