Numerische Simulation von irregulärem Seegang

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist die 3-dimensionale Simulation eines Schwimmkörpers bei kurzkämmigem irregulärem Seegang. Sämtliche Berechnungen werden hierbei mit der Strömungssoftware ANSYS CFX durchgeführt. Im Gegensatz zu herkömmlichen, potentialtheoretischen Strömungsberechnungen basieren somit alle Simulationen auf den Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen.Zu Beginn der Arbeit wird auf die verschiedenen Wellentheorien und drei verschiedene Seegangsspektren eingegangen. Es wird erläutert, wie durch die Überlagerung von Richtungsfunktionen irregulärer Seegang simuliert werden kann. Vor den eigentlichen Seegangssimulationen werden verschiedene Voruntersuchungen durchgeführt.Zunächst werden mehrere Vernetzungsvarianten im Hinblick auf die Dissipation der Wellenhöhe und die Phasenverzerrung von Wellen getestet. Das beste Ergebnis wird mit 80 Zellen über die Wellenlänge und 60 Zellen über die Wellenhöhe erreicht. Des Weiteren werden verschiedene Zeitschrittweiten simuliert. Eine Zeitschrittweite von 100 Schritten pro Wellenperiode ist hierbei ausreichend. In weiteren Untersuchungen wird auf die Art der Wellengenerierung, den Effekt der Wellenreflexion am Auslass und den Einfluss von verschiedenen Turbulenzmodellen eingegangen. Nach Abschluss der Voruntersuchungen werden die Ergebnisse von drei 2-dimensionalen Seegangssimulationen vorgestellt. Bei den simulierten Seegangsspektren handelt es sich um das JONSWAP, Bretschneider und Ochi-Hubble bi-modal Spektrum. Der langkämmige Seegang wird mithilfe der in ANSYS CFX enthaltenen CFX Command Language erzeugt. In einem weiteren Schritt wird irregulärer Seegang simuliert. Hierzu wird das Berechnungsmodell auf eine 3-dimensionale Domain erweitert. Neben der Überlagerung von Einzelwellen, zur Erzeugung des Seegangsspektrums, werden hier auch die Richtungsfunktionen überlagert. In einer letzten Simulation wird in das Berechnungsgebiet ein Ponton eingesetzt. Zunächst wird die Umströmung des Pontons bei einer Fahrt von zehn Knoten dargestellt. In einer weiteren Simulation werden zusätzlich zu dieser Fahrt Wellen zugeschaltet, und die Pontonbewegung in kurzkämmigem Seegang simuliert.Mit dieser Arbeit wird eine Möglichkeit vorgestellt, um mithilfe der Software ANSYS CFX einen Schwimmköper bei kurzkämmigem irregulärem Seegang zu simulieren.