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CFD Mit CFD-Simulationen liegen Hochleistungsskiffe perfekt im Wind

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Bei der Regatta Mille e una Vela treten von Studenten entwickelte Skiffs an. Für mehr Geschwindigkeit hat ein Team auf die CFD-Software Star-CMM+ von CD-Adapco gesetzt. Die CFD-Simulationen liefert Daten, die es ermöglichen, verschiedene Designvarianten zu vergleichen. Zudem lassen sich damit optimale Crewpositionen für unterschiedliche Segelsituationen finden und auf dieser Basis das Deckslayout optimieren.

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Das Hochleistungsskiff R3, überlagert mit den Ergebnissen der hydrodynamischen Simulation.
Das Hochleistungsskiff R3, überlagert mit den Ergebnissen der hydrodynamischen Simulation.
(Bild: CD-Adapco)

Skiffs sind leistungsfähige, schnelle und starke Jollen für das küstennahe Segeln. Ein Beispiel für ein olympisches Skiff ist der bekannte 49er. Skiffs haben eine geringe Verdrängung, einen flachen Rumpf und einen überdimensionierten Segelplan, was es ihnen ermöglicht, sowohl am Wind als auch mit raumem Wind ins Gleiten zu kommen. Die typische Segelausstattung besteht aus einem Großsegel mit ausgestelltem Segelkopf, einer flachen Fock und einem Gennacker, der an einem Bugspriet gefahren wird. Das aufrichtende Moment wird überwiegend vom Gewicht der Besatzung erzeugt, die auf Auslegern im Trapez steht. Bei starkem Wind und hoher Bootsgeschwindigkeit geht die Besatzung nach hinten, um den Bug aus dem Wasser zu heben, was den hydrodynamischen Widerstand vermindert und das Handling verbessert. Bei geringer Geschwindigkeit wiederum trimmt die Crew das Boot nach vorn, um das Heck aus dem Wasser zu heben.

Studentische Regatta

Der Wettbewerb Mille e una vela per l’università wurde von Massimo Paperini und Paolo Procesi im Jahr 2005 erstmals organisiert und findet seither jedes Jahr statt. Die Regatta des Jahres 2013, die Trofeo 1001 Vela Cup 2013 fand vor La Spezia statt. Die teilnehmenden Boote müssen von Studenten entwickelt, gebaut und gesteuert werden, dürfen maximal 4,6 m lang und 2,1 m breit sein und tragen eine Segelfläche von maximal 33 m². Zur Leistungssteigerung wurden die aero- und hydrodynamischen Kräfte und Momente, die auf das Hochleistungsskiff R3 einwirken, getrennt modelliert und dann in einem Velocity Prediction Program (VPP) zusammengeführt. Im VPP lassen sich dann das optimale Setup des Boots und die maximale Bootsgeschwindigkeit ermitteln. Eine ganze Reihe von aero- und hydrodynamischen CFD-Simulationen ergab den Input für das VPP.

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Hydrodynamische Simulation

Für das hydrodynamische Modell wurden mehrere CFD-Simulationen durchgeführt, um den Einfluss des Längstrimms der Mannschaft auf den Wasserwiderstand des Rumpfs zu analysieren. Es wurde, um die Symmetrie des Rumpfs zu nutzen, nur eine Hälfte des Boots modelliert, zudem wurden Krängung (das seitliche Kippen des Boots beim Segeln) und Abdrift (der Winkel zwischen Bootsausrichtung und tatsächlichem Kurs im Wasser) vernachlässigt – Skiffs werden meist sehr aufrecht gesegelt und haben aufgrund der hohen Geschwindigkeit nahezu keine Abdrift nach Lee, so dass diese Effekte kaum Auswirkungen auf den Rumpfwiderstand haben.

Eine Reihe von Froudezahlen Fr zwischen 0,3 und 1,2 sowie verschiedene Positionen der Crew in Längsrichtung wurden berechnet. Ein Beispiel geben Bild 2 und 3 (siehe Bildergalerie), die die Form der freien Wasseroberfläche für Fr = 0,4 und 1,2 zeigen, was wiederum Verdränger- beziehungsweise Gleitfahrt entspricht.

Bild 4 und 5 zeigen den Reibungskoeffizienten Cf und den Netto-Druckkoeffizienten Cpnet (hydrostatischer Druckkoeffizient subtrahiert vom Druckkoeffizient), für dieselben Froudezahlen. In Bild 6 ist der Gesamtwiderstandskoeffizient Ct für Froudezahlen von 0,3 bis 1,2 und drei verschiedene Schwerpunkte (CG) entlang der Längsachse dargestellt.

Letztere wird vom Heck aus gemessen und in Prozent der Bootslänge ausgedrückt. Wie erwartet wurde bei sehr geringen Bootsgeschwindigkeiten (Fr < 0,4) der minimale Widerstand bei der vordersten Crewposition erreicht (CG = 52%), bei sehr hohen Geschwindigkeiten (Fr > 1.05) dagegen bei der Simulation mit der am weitesten hinten positionierten Crew (CG = 39%). Bei mittleren Bootsgeschwindigkeiten war der geringste Widerstand bei einer mittleren Crewposition zu verzeichnen.

Aerodynamische Simulationen

Die aerodynamischen Simulationen deckten verschiedene Stellungen von Vor- und Hauptsegel auf Amwindkurs ab. Die Besatzung spielt beim Luftwiderstand eine große Rolle und so wurden Rumpf und Crew gemeinsam modelliert.

Bild 6 und 7 zeigen den Druckkoeffizienten Cp und Stromlinien, die die Strömungsgeschwindigkeiten anzeigen. Das Gitter, das aus Polyederzellen und einer prismatischen Grenzschicht besteht, enthielt etwa drei Mio. Zellen.

Die Segel wurden als feste Membranen ohne Dicke modelliert. In Bild 8 ist der Auftriebskoeffizient Cl und der Widerstandskoeffizient Cd für einen breiten Bereich von simulierten Segelstellungen dargestellt. Wird Cd gegen das Quadrat von Cl aufgetragen, fallen die optimalen Segelstellungen in einer Gerade zusammen, wobei der Achsenschnittpunkt den parasitären Widerstand darstellt und die Steigung der Kurve indirekt proportional zum effektiven Seitenverhältnis des Gesamtsegelplans ist.

Die numerische Simulation ermöglichte die Vorhersage der Bootsgeschwindigkeit für verschiedene Designvarianten und das Festlegen der optimalen Crewposition, die wiederum ausschlaggebend für das Deckslayout war. Das Boot nahm zum ersten Mal am 24.-27. September 2009 an der Mille e una per l’università teil und erreichte vor 14 anderen Teilnehmern dieser Bootsklasse den ersten Platz. Dieselbe Plattform wurde für die folgenden Regatten bis 2012 genutzt, bis von einer neuen Studentengruppe ein neues Bootskonzept entwickelt wurde. (mz)

CD-Adapco zeigt seine Produkte und Lösungen auf der Messe SMM 2014 im September in Hamburg: Halle B2.EG, Stand 301.

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