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Strömungssimulation IOM – fast wie bei Alinghi & Co.?

Christian Thieme

Für die ambitionierten RC-Modell- und Regattafreunde stellt sich wohl immer wieder die Frage, welches Potentzial noch aus dem Boot herauszukitzeln wäre. Eines vorab – Erfahrung lässt sich durch nichts ersetzen. Ein verschlafener Start oder Winddreher und die beste Rumpfgeschwindigkeit ist kaum noch was wert.
In der Realität sind die Strömungen sehr komplex. Dennoch bietet die moderne numerische Strömungssimulation eine gute Möglichkeit, Phänomene aufzudecken und sichtbar zu machen und versetzt damit auch den engagierten Modellbauer in die Lage, durch gezielte Variationen und Vergleichsberechnungen das Geschwindigkeitspotenzial des Bootes besser auszuschöpfen. Für alle Neugierigen möchte ich nachfolgend einen kleinen Einblick in die Möglichkeiten und Grenzen der heutigen Strömungssimulation – auch CFD (Computational Fluid Dynamics) genannt – am Beispiel eines IOM-Bootes geben.

Prinzipiell ist es heute möglich, die Bootsumströmung (Wasser/Luft) unter Berücksichtigung der freien Wasseroberfläche zu berechnen. Als erster einfacher Ansatz wird ein 3D-Strömungsraum mit dem Boot in definierter Schwimmlage generiert. Das Ergebnis sieht dann etwas so aus (Abb. 01, 02).


Freie Wasseroberfläche


Wellenbild

Die Betrachtungen beziehen sich auf glattes Wasser – also eher wie beim ungeliebten ablandigen Wind. Entsprechend der Fahrtrichtung des Bootes ist die Anströmung im numerischen Modell in +Z-Richtung und wird auf 0,75 m/s gesetzt. Der angenommene Krängungswinkel bei dieser Beispielvariante beträgt 30°, der Gierwinkel 3°. Dies könnten etwa Bedingungen auf dem Kreuzkurs sein. Der horizontale Schnitt durch den Rumpf ergibt dann eine interessante asymmetrische Strömungskörper-Form (Abb. 03). Die Kielflosse hat eine übliche Dicken-Sehnenlängen-Verteilung.


Horizontalschnitt

Bei diesen Randbedingungen ist die Umströmung der Kielflosse und des Rumpfes relativ „langweilig“ – keine Ablösung, keine Rezirkulation (Abb. 04, 05). Auch die Druckverteilung – hier wird zur besseren Vergleichbarkeit der normierte dimensionslose Druckbeiwert verwendet (rot: Überdruck / blau: Unterdruck) – ist wie erwartet (Abb. 06).


Geschwindigkeitsvektoren an der Kielflosse


Strombahnen am Rumpf


Druckverteilung

Interessant - da auch in den Foren immer wieder diskutiert - ist die folgende Betrachtung. Mit dem IOM-Boot befinden wir uns genau im Übergangsbereich von laminarer zu turbulenter Strömung der Grenzschicht. Die numerische Simulation bietet seit kurzem ein Turbulenzmodell, welches beide Strömungsformen gleichzeitig sowie deren Übergang recht gut berechnen kann.
Dass die Kielflosse, das Ruder und die Kielbombe auf Grund ihrer Abmessungen laminar umströmt werden, war auch in den Diskussionen schon klargestellt worden. Gemäß der einfachen Berechnung der Reynoldszahl für den Rumpf ist hier mit einem laminar-turbulent Übergang zu rechnen – doch wann und wo? Die Bereiche laminarer und turbulenter Strömung lassen sich im numerischen Modell durch die Turbulente Intensität Tu darstellen (Abb. 07). Die blauen Bereiche werden laminar, die roten turbulent umströmt.


Turbulente Intensität

Hier könnten nun die ersten heißen Diskussionen aufkommen, wie das Ergebnis zu deuten ist. Der Einfluss der Strömungsformen auf den Widerstand ist nicht unerheblich. Das nachfolgende Diagramm zeigt die integralen Widerstandsanteile in [N] (tangential = Reibung / normal = Druck) (Abb. 08). Die ersten 200 Berechnungsschritte sind turbulent gerechnet, danach mit dem „Laminar-Turbulent Übergangsmodell“. Die Tangentialanteile reduzieren sich bei laminarer Strömung deutlich. Wir gehen davon aus, dass der Verlauf der Reibungskräfte am Rumpf, die den „Löwenanteil“ am Widerstand darstellen, nach 400 Berechnungsschritten konstant ist. Der zweitgrößte Wert ist bereits der zähigkeitsbedingte Druckwiderstand der Kielflosse (übrigens bei nur 7 mm maximaler Dicke)! Dann folgt der Druck- und Wellenwiderstand des Rumpfes, wobei insbesondere dieser Wert bei zunehmender Geschwindigkeit relativ stark ansteigen wird.


Widerstandsanteile

Fazit

Dieses Beispiel stellt einen Ausschnitt der Möglichkeiten der numerischen Strömungssimulation dar. Weiterhin lassen sich mit vertretbarem Aufwand Trimm und Tauchung mittels eines bewegten Berechnungsnetzes implementieren, um auch immer die sich einstellende Schwimmlage bei konstanter Verdrängung und fixer Krängung zu erfassen. Wird dann z. B. der Schwerpunkt bzw. die Krängung oder der Gierwinkel geändert, so lassen sich durch den Vergleich der Widerstandsanteile die geänderte Schwimmlage und die Performance beurteilen.

Natürlich liegt es nahe, den Überwasser-Strömungsraum zu erweitern und die Segel und den Mast ebenfalls zu modellieren. Der Simulationsaufwand steigt dann aber deutlich an. Auch ist der Abgleich aller Kräfte und Momente und die entsprechende Anpassung der Schwimmlage bzw. der Geschwindigkeit (Krängungswinkel, Gierwinkel, Anströmung) denkbar. Daraus wird dann aber doch eher eine Aufgabe für die „Profiteams“.
Nicht zuletzt verkompliziert sich alles nochmals durch die Bewegung in den Windwellen. Derartige Simulationen gibt es, sie sind aber im Vergleich zum Beispiel der gezeigten stationären Variantenuntersuchung um ein Vielfaches komplizierter.

Es bleibt also die Gewissheit, dass sich mit einem guten Boot und Modellsegelfreund am See ein Know-How-Gewinn deutlich schneller, komplexer und vor allem romantischer erzielen lässt. Und ein gerechnet schnelles Boot ist noch lange nicht als erstes im Ziel!
Also – wir sehen uns am See!

 

Stand: 17.02.2007