Numerical Evaluation of Flettner-Rotor Setups for Cargo Ships
Maximilian Ray Hoffmann, Universität Rostock
Inhaltlich war die Arbeit in zwei wesentliche Abschnitte unterteilt. Der erste Teil beschäftigte sich mit einer parametrischen Studie von Flettner-Rotoren. Dabei wurde untersucht ob, und in welcher Größenordnung, die Aspect Ratio - sprich das Verhältnis von Höhe zu Breite des Rotors - und der Durchmesser der Endplatte (Thom Disc) einen Einfluss auf die aerodynamische Performance des Rotors haben. Um die aerodynamische Performance zu beurteilen, wurden sowohl Auftriebs- als auch Widerstandsbeiwerte betrachtet. Zusätzlich wurde ein Maß für die zeitliche Schwankung der Kraftsignale definiert, um deren Verlässlichkeit zu quantifizieren. Im Rahmen dieses ersten Teils der Arbeit wurde festgestellt, dass eine Erhöhung der Aspect Ratio des Rotors einen Einfluss auf sowohl den Auftriebs- als auch Widerstandsbeiwert hat. Im Bezug auf eine mögliche Reduktion transienten Verhaltens konnten keine klaren Trends festgestellt werden. Eine Erhöhung des Durchmessers der Endplatte hatte einen deutlich merkbaren Einfluss auf den Widerstandsbeiwert bei näherungsweise gleichbleibendem Auftriebsbeiwert. Um einen geeigneten Betriebspunkt für den zweiten Teil der Arbeit zu definieren, wurde zudem für alle Rotorgeometrien die Spinratio (Verhältnis von tangentialer Geschwindigkeit auf der Mantelfläche des Rotors zur eintreffenden Windgeschwindigkeit) variiert und deren Einfluss auf die genannten Performance-Größen analysiert.
In dem zweiten Teil der Arbeit wurden die Ergebnisse des ersten Teils genutzt, um einen Referenzrotor zu definieren, anhand dessen ein Vergleich zwischen einem Single- und einem Dual-Rotor-Setup gezogen wurde. Untersucht wurden hierbei drei verschiedene Windrichtungen. Um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wurden für die Konfiguration des Dual-Rotor-Setups die Aspect Ratio und die Gesamt-Mantelfläche des Referenzrotors beibehalten. Im direkten Vergleich kam heraus, dass aufgrund von stark variierenden Widerstandsbeiwerten in verschiedenen Windrichtungen der Single-Rotor-Setup dem Dual-Rotor Setup vorzuziehen ist.
Alle Analysen wurden mittels der Open-Source-CFD-Software OpenFOAM durchgeführt. Dabei wurde im Rahmen der Ressourcen und Möglichkeiten speziell darauf geachtet, dass die Meshparameter so gewählt werden, dass das Mesh eine zufriedenstellende Qualitätsstufe aufweist. Alle Teile der Analyse haben während des Verlaufes dieser auch etwaige Fallstricke bzw. Limitierungen der Software und des verwendeten Meshing-Algorithmus aufgezeigt. Zusätzlich wurden auch wertvolle Erkenntnisse im Bezug auf die Auflösung bzw. Modellierung wandnaher Phänomene (Y+) gewonnen, die für zukünftige Analysen hilfreich sein könnten.
