Entwicklung und Anwendung einer Widerstands-Optimierungsprozedur für Katamarane mit der Entwurfssoftware CAESES
Malte Mittendorf, Fachhochschule Kiel
Auf dem Gebiet der Schiffsformoptimierung von Katamaranen ergeben sich im Vergleich zu Einrumpfschiffen
zusätzliche Freiheitsgrade sowie Randbedingungen, was auf die Komplexität des
Katamaranwiderstandes und der speziellen Entwurfsbedingungen zurückzuführen ist. Weiterhin
lassen sich aufgrund dessen keine allgemein gültigen Aussagen zum Schiffslinienentwurf dieser
Topologie treffen.
Das Ziel dieser Ausarbeitung ist die Formoptimierung eines schnellen Fahrgastkatamarans mit Batterieantrieb,
wie es im Rahmen des EU-Forschungsprojektes TrAM von der HSVA vorgesehen ist
(tramproject.eu/).
Batteriebetriebene schnelle Schiffe bedürfen aufgrund ihrer Entwurfsanforderungen (vor allem an
Batteriegewicht und Raumbedarf) zusätzlicher, intensiver Vorüberlegungen und einer tiefgehenden,
ganzheitlichen, sowie mehrkriteriellen mathematischen Optimierung.
Die mehrkriterielle Optimierung innerhalb des Schiffsentwurfes ist eine der Säulen auf der das
HOLISHIP Forschungsvorhaben der HSVA steht (holiship.eu). Dieses Projekt bildet den übergeordneten
Rahmen dieser Arbeit. Im Zuge dieser wird eine Optimierungsprozedur in der Programmumgebung
CAESES entwickelt; dabei wird sowohl der Glattwasserwiderstand, als auch ein Kriterium,
das die Generierung von Schwell (engl. wave wash) widerspiegelt, als Zielfunktionen implementiert.
Da die Widerstandsoptimierung von Katamaranen überwiegend im Wellenwiderstand
stattfindet, werden zur Lösung des Wellenwiderstandsproblems Potentialströmungsverfahren angewandt.
Einerseits wird hier das nicht-lineare Paneelverfahren der HSVA nu-SHALLO verwandt und
andererseits ein Werkzeug entwickelt, das auf der Thin Ship Theory basiert. Die schlanken Einzelrümpfe
von Katamaranen rechtfertigen die Anwendung einer Thin Ship (Dünnkörper-) Theorie. Das
hier entwickelte Werkzeug legt einen besonderen Fokus nebst der Integration der Wellenwiderstandsverfahren
in CAESES, auf eine empirische Berechnung des viskosen Druckwiderstandes von
Katamaranen und auf den Einfluss des Strömungsabrisses am Spiegel. Des Weiteren wird eine
zweidimensionale Bemessungsgrundlage für die Erzeugung von Schwell (einem Äquivalent der
abgestrahlten Wellenenergie) definiert und anhand von nu-SHALLO berechnet. Weiterhin erfolgt
die Validierung der entwickelten Programme anhand von bekannten Modellversuchergebnissen,
sowie CFD-Untersuchungen für viskose Strömungen. Abschließend wird eine Optimierungsprozedur
erstellt und auf einen TrAM Katamaran, dessen Form von der NTUA parametrisiert worden ist,
angewandt. Die Optimierung basiert auf einem genetischen Algorithmus (NSGA-II), der ein Metamodell
(engl. Surrogate Model) der Zielfunktion(en) verwendet. Die Optimierung erfolgt in einer
globalen Iteration, in der einerseits nu-SHALLO und die Thin Ship Theory parallel eingesetzt werden
und eine Widerstandsoptimierung auf Basis des Fahrtprofils stattfindet. In der lokalen Iteration
wird anhand von nu-SHALLO neben dem Rumpfwiderstand zusätzlich die Erzeugung von Schwell
minimiert.
Sowohl im Verlauf der Validierung, als auch innerhalb der Optimierungsprozedur zeigte sich eine
gute Handhabbarkeit der entwickelten Werkzeuge. Das Zutun eines erfahrenen Entwurfsingenieurs
ist jedoch für die Interpretation der Ergebnisse, etwaige Einschränkungen des Gültigkeitsbereiches
und der abschließenden Wahl des Optimums unabdingbar. Am Ende dieser Arbeit stehen zum einen
eine optimierte Rumpfform des TrAM – Projektes und zum anderen Werkzeuge, die innerhalb des
Rahmens von HOLISHIP weiter Anwendung finden werden.
