Bachelor-/Projekt-/Masterarbeit: Numerische Simulation der Spitzenwirbelkavitation mit einem Potentialverfahren mit impliziten Relaxationszonen
Motivation
Durch die Zunahme des Schiffsverkehrs steigt die anthropogene Lärmbelastung der maritimen Ökosysteme durch Unterwasserschall. Unterwasserlärm in verschiedenen Frequenzbändern stört maritime Lebewesen neben der allgemeinen Lärmbelastung auch bei der Orientierung oder der Kommunikation.
Beim Entwurf von Schiffspropellern müssen Wirkungsgrad und Kavitation gegeneinander abgewogen werden. Der Einsatz von Kavitation führt zu einem signifikant erhöhtem Schallpegel. Während Schichtkavitation Druckschwankungen in der ersten Blattfrequenz induziert, dominiert die Spitzenwirbelkavitation in den höheren Blattfrequenzen.
Um die akustische Abstrahlung auf Grund des kavitierenden Spitzenwirbels besser zu verstehen und vorhersagen zu können, wurde am Institut für Fluiddynamik und Schiffstheorie eine Potentialmethode zur Simulation der Spitzenwirbelkavitation entwickelt. Das Verfahren basiert auf einer Helmholtz-Zerlegung der Strömung. Der rotationsfreie Anteil der Strömung wird mit einem Geschwindigkeitspotential beschrieben, das mit einer Randelementmethode gelöst und dessen transiente Entwicklung über die Impulsgleichungen berechnet wird.
Die Betrachtung endlicher Teilabschnitte der Spitzenwirbelkavitation und die Interaktion mit der Schichtkavitation werden über explizite Relaxationszonen an den Systemgrenzen realisiert. Explizite Relaxationszonen zeigen von der Zeitschrittweite abhängiges Verhalten. Eine Alternative sind implizite Relaxationszonen.
Ziele
Die expliziten Relaxationszonen sollen durch implizite Relaxationszonen ersetzt werden. Dazu muss eine geeignete Formulierung gefunden und im Rahmen des bestehenden Verfahrens implementiert werden.
Die Wahl der optimalen Parameter für die Relaxationszonen wird in systematischen Simulationen verifiziert. Anschließend soll die Implementierung anhand von analytischen Lösungen und vorliegenden Messdaten validiert werden.
Voraussetzungen
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Grundkenntnisse der Strömungsmechanik,
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gute Kenntnisse in Mathematik,
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Erfahrung mit objektorientiertem Programmiersprachen wie C++.
Die Arbeit kann in Deutsch oder Englisch verfasst werden.
Type & Date
Master / Projekt / Bachelor
13.09.2021