Modellbildung zur Vorhersage von Bauteil- und Arbeitsschiffbewegungen im Seegang

Das Teilprojekt A06 des Sonderforschungsbereich 1463 "Integrierte Entwurfs- und betriebsmethodik für Offshore-Megastrukturen" fokussiert auf die Abhängigkeiten zwischen Wetterlage, Arbeitsgerät (z. B. Kranschiff, Schleppschiff) und Bauteil, um insbesondere die bautechnische Realisierbarkeit und die Anforderungen von Offshore-Megastrukturen auf See zu bewerten und frühzeitig ins Design und in den Betrieb für Inspektions- und Wartungsarbeiten mit einfließen zu lassen. Im Kern geht es bei der technischen Realisierbarkeit und bei Wartungseinsätzen um die Vorhersage des Schwimm- und Bewegungsverhaltens von Bauteilen und Arbeitsgeräten aufgrund von hydrodynamischen Einwirkungen aus Wellen und Strömungen. Wenn die Einwirkungen zu starke Strukturbewegungen verursachen, lassen sich die Strukturelemente nur sehr schwer oder gar nicht kontrolliert positionieren, absenken, einbauen und auch Wartungsschiffe können Techniker und Material nicht transferieren.

Trotz vieler Erkenntnisse durch bisherige Forschungen ist die Modellierung der Fluid-Bauteil- und der Fluid-Schiff-Interaktion auch heute noch eine große Herausforderung. Die Qualität der Bewegungsprognosen hängt von den zugrunde liegenden Annahmen für die modellierte Umströmung und Wirbelbildung ab. Dabei sind sprunghafte Änderungen der umströmten Hülle bzw. schnelle Änderungen der Wasserlinienfläche auch heute noch ein grundlegendes Modellierungsproblem für die Bewegungsprognose im Seegang, die bei Offshore-Bau-strukturen im Vergleich zu Schiffsrümpfen noch ausgeprägter auftreten. Die Arbeitshypothese ist, dass die Unstetigkeiten in der Hüllform, Wirbelentwicklungen und viskosen Effekte einen relevanten Einfluss auf die Strukturbewegungen im Seegang haben, weil sie sowohl das Druckfeld auf die Strukturhülle als auch die hydrodynamische Masse bestimmen.

Diese Problemstellungen werden im Projekt sowohl mittels physikalischer als auch numerischer Modellierungen (CFD) untersucht. Im Rahmen der physikalischen Modellversuche werden unterschiedliche schwimmende Strukturen und Anbauteile (Bilge Keels, Heave Plates) sowohl hinsichtlich ihrer hydrodynamischen Eigenschaften mittels Forced-Oscillation-Tests untersucht, als auch frei schwimmend in verschiedenen Wellenbedingungen untersucht. Ein besonderer Fokus liegt hier auf der Interaktion schwimmender Strukturen.

Auf Basis der Datensätze aus den physikalischen Modellierungen werden im Anschluss numerische Modelle validiert und daraufhin zur Erweiterung der physikalischen Ergebnisse genutzt, indem weitere Strukturformen und Interaktionen untersucht werden.

Die Ergebnisse der physikalischen und numerischen Modellierungen sollen in einer Parametrisierung der hydrodynamischen Koeffizienten münden, sodass mit diesen ein analytisches und echtzeitfähiges Modell zur Berechnung der Schiffs- und Bauteilbewegungen kalibriert werden kann.