Fortschrittliche Simulation hilft bei der Lösung von Ballastwasser

Oct 21, 2023

Von Tobias Zorn, Jan Kaufmann, FutureShip & Milovan Peric, CD-adapco 13. Februar 2013

Das Ballastwassermanagement wirft Probleme bei der Konstruktion und dem Betrieb von Schiffen auf. Computational Fluid Dynamics (CFD) bietet Lösungen für Design, Typgenehmigung und Fehlerbehebung.

Computational Fluid Dynamics (CFD) bezeichnet zusammenfassend Techniken zur Lösung von Gleichungen, die die Physik der Flüssigkeitsströmung beschreiben. CFD ist in der maritimen Industrie mittlerweile weithin bekannt und akzeptiert, wird jedoch meist mit Strömungen um den Rumpf und die Propeller herum in Verbindung gebracht, beispielsweise im Zusammenhang mit der Konstruktion treibstoffeffizienterer Schiffe. Allerdings ist CFD in vielerlei Hinsicht weitaus vielseitiger als klassische Modelltests. Dieselbe Software kann auf eine Vielzahl von Strömungen angewendet werden, darunter auch auf interne Strömungsprobleme. Ein wesentlicher Vorteil von CFD ist die Einsicht in Strömungsdetails. Da Strömungsmengen an vielen diskreten Orten im Raum (Rechenzellen) und für viele Zeitschritte berechnet (und gespeichert) werden, ist es bei der Nachbearbeitung einfach, beliebige Querschnitte zu betrachten und nach Belieben hinein- und herauszuzoomen. Mit den jüngsten IMO-Vorschriften, die den Übergang zum Ballastwassermanagement vorantreiben, um die Ausbreitung invasiver Arten einzudämmen, sind Ballastwassermanagementsysteme für Schiffsbetreiber in den Fokus gerückt. Doch abgesehen von den Besonderheiten der neuen Vorschriften kann der Umgang mit Ballastwasser für Schiffsbetreiber vor Herausforderungen stehen, wenn die Vorteile von CFD-Simulationen zum Tragen kommen. Die folgenden Fallstudien veranschaulichen Probleme und Lösungen aus der Branchenerfahrung.

Fallstudie 1: Typgenehmigung basierend auf CFD Das Ballastwasser von Schiffen transportiert Pflanzen und Tiere, die sich häufig in fremden Meeresregionen ansiedeln und eine Gefahr für die heimische Gewässerwelt darstellen, die möglicherweise große ökologische, gesundheitliche und wirtschaftliche Schäden verursacht. Der zunehmende Schiffsverkehr hat diese Bedrohung erheblich erhöht. Das IMO „Internationale Übereinkommen zur Kontrolle und Bewirtschaftung von Ballastwasser und Sedimenten von Schiffen“ verlangt einen Ballastwasser-Managementplan. Ab dem Jahr 2016 müssen alle Schiffe ihr Ballastwassermanagement auf die Ballastwasseraufbereitung ausrichten. Wenn diese Behandlung auf chemischen Ansätzen basiert, ist eine schnelle und effektive Vermischung der chemischen Komponente mit dem Ballastwasser entscheidend, um eine homogene Konzentration des Biozids zu erreichen. Für die Typgenehmigung neuer Systeme können Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel sein. In einem Fall simulierte FutureShip die Vermischung von Chlor und Ballastwasser in Rohren während des Ballastvorgangs. Mithilfe der CFD-Simulationen wurde die erforderliche Rohrlänge der Mischzone ermittelt, um eine homogene Durchmischung sicherzustellen. Simulationen zeigten, dass die Mischung im ursprünglichen Entwurf ineffizient war. Durch sehr einfache und kostengünstige Modifikationen der Einlassgeometrie konnte das Turbulenzniveau deutlich erhöht werden, was zu einer deutlich kürzeren Rohrlänge für eine vollständige Durchmischung führte. Abbildung 1 zeigt berechnete Stromlinien und Chlorkonzentration im Mischrohr, die aus einer solchen Simulation resultieren. Die Behörden akzeptierten die Simulationen als technischen Nachweis für die Typgenehmigung.Fallstudie 2: Ballastwassersedimente In Ballastwassertanks sammeln sich Sedimente. Sie reduzieren das Eigengewicht (Nutzlast), schränken den Wasserfluss ein und verzögern so die Entballastierung und erhöhen den Tiefgang, was zu einem höheren Kraftstoffverbrauch führt. Für einen Capesize-Massengutfrachter wollte der Schiffseigner die Sedimentansammlung reduzieren und beauftragte FutureShip mit detaillierten Analysen und Vorschlägen für eine Neukonstruktion, um die Sedimentablagerung in den Ballasttanks zu minimieren. In diesem Fall wurden die tatsächlichen Sedimente nicht modelliert. Stattdessen erleichtern technische Erkenntnisse die Simulation. Sedimente setzen sich in Regionen mit geringer Wassergeschwindigkeit ab, wie sie typischerweise in Gebieten mit Rezirkulation und Strömungsstagnation zu finden sind; Diese werden allgemein als Totwasserregionen bezeichnet. Abbildung 2 zeigt Sedimente in einem echten Ballastwassertank. Die Zweiphasensimulationen (Wasser und Luft) der Strömung in Ballasttanks identifizierten zunächst Totwasserbereiche, die der beobachteten Sedimentansammlung im ursprünglichen Entwurf entsprachen. Abbildung 3 zeigt die berechnete Geschwindigkeitsverteilung in der Nähe der Bodenwand. Anschließend wurden verschiedene Designalternativen für die Ballastwassertanks untersucht, wobei Variationen der Versteifungsabstände und Ausschnitte untersucht wurden. Die Simulationen identifizierten das alternative Design mit der geringsten Sedimentabsetzung (dh den kleinsten Totwasserregionen) für zukünftige Massengutfrachterbestellungen.Fallstudie 3: Ballastwasserentlastung Ein geschäftiger Kohleterminal in Lateinamerika hatte strenge Fristen für die Entballastierung eines Massengutfrachters am Kai festgelegt. Die Ballastpumpe saugte beim Entballastieren Luft an, was die Besatzung zwang, zeitweise mit dem Entballastieren aufzuhören. Infolgedessen konnte das Schiff nicht in der vom Terminal angegebenen Zeit von der Ballastierung befreit werden. Das Schiff musste mit noch 3000 t Ballastwasser in den Tanks auslaufen. Infolgedessen konnten 2600 t Ladung nicht verladen werden, was zu Schadensersatzforderungen in Höhe von 125.000 € führte und das Schiff am Terminal auf die schwarze Liste gesetzt wurde. Eine detaillierte Analyse ist oft der erste Schritt bei der Fehlerbehebung. Sobald das Problem transparent geworden ist, ist die Lösung unkompliziert. In diesem Fall bestand der erste Schritt darin, den Entballastierungsprozess zu simulieren, ein dreidimensionales Modell der Ballastwassertanks zu erstellen und die Pumpe durch eine vorgeschriebene Durchflussrate am Auslass des Saugrohrs nachzuahmen. Der Abfluss wurde auf die maximale Pumpenleistung eingestellt. Die Simulation der Zweiphasenströmung ergab, dass der Wasserstand in benachbarten Feldern während der Entballastierung deutlich höher war als im Feld mit Ballastpumpenansaugung. Abbildung 4 zeigt die ungleichmäßigen Wasserstände in verschiedenen Tankabschnitten. Die Größe der Wasserdurchflussöffnungen in den Längsspanten war für die Entballastierungsleistung der Pumpen zu klein. Die Simulation liefert Informationen über die zeitabhängige Durchflussrate durch jede Öffnung und sagt den Zeitpunkt voraus, zu dem Luft von der Pumpe angesaugt wird. Die Animation der freien Oberflächenbewegung und Geschwindigkeitsverteilung in verschiedenen Querschnitten gibt Ingenieuren einen direkten Einblick in die Physik der Strömung und ermöglicht eine einfache Beurteilung des Problems, was die Gestaltung notwendiger geometrischer Modifikationen unterstützt. Basierend auf der Analyse von Simulationsdaten wurden mehr und größere Wasserdurchflussöffnungen für die Rahmen in der Nähe der Pumpe vorgeschlagen, um die Flüsse durch die Öffnungen mit dem Einlassfluss der Pumpe zu synchronisieren. Größe und Lage der Wasserdurchflussöffnungen könnten dann so bestimmt werden, dass der Zufluss zur Pumpe über der Pumprate liegt und so das Risiko vermieden wird, dass die Pumpe Luft ansaugt.Abschluss CFD-Simulationen haben sich als vielseitiges und leistungsstarkes Werkzeug zur Unterstützung von Entwurf und Betrieb von Ballastwassermanagementsystemen erwiesen. Die Kombination aus fortschrittlicher Computersoftware und erfahrenen Benutzern liefert detaillierte Einblicke und zuverlässige Antworten.

DanksagungenDie Autoren schätzen die Hilfe und Zusammenarbeit ihrer Kollegen Volker Bertram und Jan Rüde.CFD-Methode Für die Simulation wurde die CFD-Software STAR-CCM+ von CD-adapco eingesetzt. Diese Software ist in der Lage, turbulente Strömungen mit daraus resultierender Wirbelbildung und turbulenter Vermischung sowie mehrere Flüssigkeiten mit aufgelösten Flüssigkeits-Gas-Grenzflächen zu simulieren. Damit ist es in der Lage, alle wichtigen physikalischen Aspekte für die hier vorgestellte Analyse von Ballastwasserströmen zu erfassen. Die Lösungsmethode basiert auf Erhaltungsgleichungen in Integralform mit geeigneten Anfangs- und Randbedingungen. Der Lösungsbereich ist in eine endliche Anzahl von Kontrollvolumina unterteilt, die eine beliebige polyedrische Form haben können und typischerweise lokal in Bereichen mit schneller Variation der Strömungsvariablen verfeinert werden. Das interessierende Zeitintervall wird außerdem in Zeitschritte entsprechender Größe unterteilt. Die zugrunde liegenden Gleichungen enthalten Oberflächen- und Volumenintegrale sowie Zeit- und Raumableitungen. Diese werden für jedes Kontrollvolumen und jede Zeitebene mithilfe geeigneter endlicher Näherungen angenähert, was zu einem algebraischen Gleichungssystem führt, das auf einem Multiprozessorcomputer effizient gelöst werden kann. Es wird angenommen, dass der Fluss durch die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen bestimmt wird. Turbulenzeffekte können durch eine Vielzahl von Modellen erklärt werden, von den einfachsten Wirbelviskositätsmodellen (typischerweise werden k-- oder k--Modelle verwendet) bis hin zu den Reynolds-Spannungsmodellen. Somit werden die Kontinuitätsgleichung, die Impulsgleichung und zwischen zwei und sieben Gleichungen für Turbulenzeigenschaften gelöst. Auch Large-Eddy-Simulationen, die nur die kleinräumige Turbulenz modellieren und großräumige Wirbel auflösen, sind möglich. Auch mehrphasige Mehrkomponentensysteme (Wasser-Luft oder Wasser-Chlor in den hier gezeigten Anwendungen) können simuliert werden . Die räumliche Verteilung der Phasen (Flüssigkeit und Gas) wird durch Lösen einer zusätzlichen Transportgleichung für den Volumenanteil jeder zusätzlichen Phase erhalten. Um den konvektiven Transport nicht mischbarer Flüssigkeiten genau zu simulieren, muss die Diskretisierung nahezu frei von numerischer Diffusion sein. Zu diesem Zweck wird ein spezielles hochauflösendes Schnittstellenerfassungsschema (HRIC) verwendet, das eine scharfe Auflösung freier Oberflächen bietet und die Simulation von Strömungen mit eingeschlossenen Gasblasen in Flüssigkeit oder Flüssigkeitsklumpen in Gas ermöglicht.

Über die Autoren Dipl.-Ing. Jan Kaufmann und Dipl.-Ing. Tobias Zornarbeiten beide als Senior Project Engineers in der Engineering Unit Fluid Dynamics bei FutureShip GmbH – einem Germanischen Lloyd-Unternehmen in Hamburg, Deutschland.Prof. Milovan Pericist Vice President – ​​Technology bei CD-adapco, einem unabhängigen CFD-fokussierten Anbieter von Ingenieursimulationssoftware mit Sitz in Nürnberg, Deutschland.

(Wie in der Februarausgabe 2013 von Maritime Reporter & Engineering News veröffentlicht – www.marinelink.com)