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Labor für Limnische und Marine Forschung  


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HYDROPHOB-Projekt

Hydrodynamische und akustische Eigenschaften von superhydrophoben Beschichtungen an Schiffen

Laufzeit: Januar 2009 – März 2011

Projektkonsortium:

  • Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH (Antragsteller)

  • Labor für limnische, marine Forschung und vergleichende Pathologie - LimnoMar

  • PowerCut

  • Müller-BBM GmbH

Strategische Zielsetzung:

  1. Aufklärung der veränderten Strömungsvorgänge im Grenzschichtbereich von superhydrophoben Antihaftbeschichtungen (Reibungsvermindernde Eigenschaften des superhydrophoben Wandkontakts/Grenzschichtinstabilitäten)

  2. bewuchshemmende Eigenschaften der Anstrichsysteme

Zusammenfassung:
Ziel des Vorhabens ist die Aufklärung der veränderten Strömungsvorgänge im Grenzschichtbereich von superhydrophoben Antihaftbeschichtungen. Dabei stehen sowohl die reibungsvermindernden Eigenschaften des superhydrophoben Wandkontaktes als auch die offensichtlich sich anders ausbildenden Grenzschichtinstabilitäten andererseits im Mittelpunkt der Untersuchungen.

Die Auswertung von Großausführungsmessungen erbrachte deutliche Hinweise darauf, dass neben der Wahl des Anstrichsystems auch die Art und Weise der Feinstrukturierung der Oberfläche einen deutlichen Einfluss auf den Widerstand des Schiffsrumpfes, den Wirkungsgrad des Propellers und das akustische Verhalten haben (können). Offenbar lassen sich auch hier Erkenntnisse und Erfahrungen, die aus dem Bereich der sogenannten Nanotechnologie bzw. des sogenannten Lotus-Effektes stammen, erfolgversprechend einbringen.

Sowohl mittels Messungen im Grenzschichtbereich als auch mit rechentechnischen Hilfsmitteln an einfachen mathematischen Modellen und aufwändigen CFD-Rechnungen sollen Erkenntnisse zu den Instabilitäten in Grenzschichtbereichen (Tollmien-Schlichting-Schwingungen, Strouhal-Efffekt) abgeleitet werden. Auf der Basis dieser Ergebnisse sind dann entsprechende akustische Eigenschaften – wie z. B. Veränderung des Sing-Effektes an Propellern und der Signatur von Schiffen zu ermitteln. Zum Nachweis dieser akustischen Eigenschaften wird die akustische Messstrecke der SVA zum Einsatz kommen.

Die bewuchshemmenden Eigenschaften der Anstrichsysteme für Schiffe werden durch die speziellen Eigenschaften im Grenzschichtbereich Struktur/Anstrichsystem – Bewuchs einerseits und andererseits Struktur/Anstrichsystem – Wasser vermittelt.
Der superhydrophobe Wandkontakt ist in dreiphasigen Systemen (Superhydrophobe Oberfläche
Luft Wasser(-tropfen)) vielfältig als sogenannter Lotus-Effekt (Nanotechnologie) untersucht worden. Für zweiphasige Systeme (Superhydrophobe Oberfläche Wasser) werden derzeit in der Literatur verschiedene Ansätze verfolgt.
Da die theoretischen Untersuchungen zum unmittelbaren Wandkontakt sowohl den Grenzschichtbereich in strömungstheoretischer Sicht betreffen als auch wesentlichen Einfluss auf die Bewuchsminderung haben, sind diese Aufgaben nur gemeinsam zu bewältigen.
Die Schlussfolgerungen aus Großausführungsmessungen lassen vermuten, dass der superhydrophobe Wandkontakt in Verbindung mit einer gewissen Strukturierung wesentlichen Einfluss auf die Ausbildung der Geschwindigkeitsverteilung in der Grenzschicht und die Ausbildung von Instabilitäten im wandnahen Bereich hat. Auf der Basis von Modellansätzen und bisherigen Ergebnissen zur Ausbildung von Instabilitäten sollen diese Resultate auf den superhydrophoben Wandkontakt verallgemeinert werden. Auf der Basis dieser theoretischen Resultate sollen die praktischen Konsequenzen für die Veränderung des Reibungsbeiwertes und die Veränderung der akustischen Eigenschaften von Tragflügelprofilen und Propellern abgeleitet werden.
Mittels geeigneter zwei- und drei dimensionaler CFD-Methoden soll versucht werden, die Effekte im Grenzschichtbereich bei superhydrophoben Wandkontakt abzubilden. Nach dem jetzigen Kenntnisstand sind insbesondere RANSE-Methoden nicht geeignet die durch die Van-der-Waals-Kräfte im Kontaktbereich zwischen Struktur und Fluid veränderten Grenzschichtprofile abzubilden. Aus diesem Grund wird zunächst auf DNS (direct numerical simulation)- und LES (Large Eddy simulation)-Methoden konzentriert. Die DNS-Verfahren sollen vorwiegend im zweidimensionalen Fall und die LES-Verfahren im dreidimensionalen Fall angewendet werden.

Die Großausführungsmessungen mit silikonbeschichteter Schiffsaußenhaut und Propellern legen nahe, dass  die Strukturierung der Oberfläche
ähnlich der Ausbildung des Lotus-Effektes einen deutlichen Einfluss auf die Ausbildung der Grenzschicht und die des Reibungswiderstandes hat. Dabei muss nicht zwingend die technisch glatteste Oberfläche den niedrigsten Reibungswiderstand erzeugen (hydraulisch glatt muss nicht gleich technisch glatt sein). Vielmehr soll der Frage nachgegangen werden wie eine superhydrophobe Oberfläche strukturiert werden muss, um den niedrigsten Reibungswiderstand zu erzeugen. Für dreiphasige Wandkontakte wurden aus dem Bereich der Nanotechnologie schon viele Untersuchungen durchgeführt.
Die hier zu untersuchenden superhydrophoben Beschichtungen müssen stets zwei Forderungen erfüllen: Sie müssen erstens einen guten Bewuchsschutz garantieren und zweitens auch gute hydrodynamische Eigenschaften aufweisen. Für die praktische Erprobung sind neben der eigentlichen Beschichtung mit Strukturierung sowohl biologische als auch hydrodynamische Aspekte zu berücksichtigen.
Gemeinsam mit dem Labor für Limnische und Marine Forschung LimnoMar sollen zunächst verschiedene Beschichtungssysteme und deren Strukturierung
an Platten und Profilen praktisch erprobt werden. Dazu soll die Wirksamkeit des Antifoulingwirkung erprobt und die hydrodynamischen Eigenschaften gemessen werden. Neben der Ermittlung des geschwindigkeitsabhängigen Reibungsbeiwertes sollen mittels LDA-Messungen die Grenzschichtprofile im wandnahen Bereich ermittelt werden.
An Tauchkörpern sollen die Widerstandsverhältnisse bei verschiedenen Beschichtungen und Strukturen ermittelt werden. Mittels des in der SVA installierten Hydrophonarrays in der Schlepprinne der SVA sollen in Zusammenarbeit mit dem schalltechnischen Beratungsbüro Müller-BBM (MBBM) Veränderungen im akustischen Verhalten der Umströmung der Tauchkörper ermittelt werden.
In der Schlepprinne und dem Kavitationstunnel der SVA sollen Propeller mit verschiedenen Beschichtungen und Strukturen sowohl auf ihr hydrodynamisches Verhalten als auch auf ihr akustisches Verhalten – insbesondere auf das Sing-Risiko – untersucht werden.

 


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