Optimierung eines seegangsunabhängigen Ölskimmers durch numerische und experimentelle Analysen

Technische Universität Berlin
Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme

Dissertation
zur Erlangen des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

Optimierung eines seegangsunabhängigen Ölskimmers durch numerische und experimentelle Analysen

Mazen Abu Amro

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Übersicht ... 1

1.1 Übersicht ... 1
1.2 Stand der Forschung ... 5
    1.2.1 Loch-im-Wasser-Prinzip ... 6
    1.2.2 Mechanischer Transport ... 8
    1.2.3 Forschungsprojekte ... 12
1.3 Ziel der Arbeit ... 14

2 CFD-Verfahren ... 17

2.1 Grundlagen der numerischen Simulationen ... 17
    2.1.1 Strömungsmechanische Grundgleichungen ... 17
    2.1.2 Turbulenzmodellierung ... 18
    2.1.3 Reynolds-Spannungsmodell ... 20
    2.1.4 Wirbelviskositätsmodelle ... 20
2.2 Mehrphasenströmung (Luft/öl/Wasser) ... 21
2.3 Diskretisierung der Differentialgleichungen ... 23
2.4 Spezielle Modellbildung für den Ölskimmer ... 24
    2.4.1 Geometriemodellierung ... 24
    2.4.2 Gittergenerierung ... 28
    2.4.3 Ölmodellierung ... 29

3 Numerische Analyse ... 31

3.1 Zweiphasige Strömungsberechnung (AS I) ... 32
    3.1.1 Optimierung der Durchflussrate am Klingenspalt ... 32
    3.1.2 Strömungsvisualisierung im Moonpool des SOS ... 35
    3.1.3 Numerische Analyse der Strömungsverhältnisse des in das MPOSS integrierten SOS ... 37
    3.1.4 Numerische Analyse der Sloshingbewegungen ... 39
3.2 Dreiphasige Strömungsberechnung (AS II) ... 43
    3.2.1 Validierung der Strömungsberechnungen ... 44
    3.2.2 Numerische Berechnungen mit Mineralölen ... 48
    3.2.3 Optimierung der Heckform des Trägerschiffs ... 53
3.3 Dreiphasige Strömungsberechnung mit Seegang ... 56
    3.3.1 Randbedingungen der Strömungsberechnungen mit Seegang ... 57
    3.3.2 Validierung der im numerischen Kanal generierten Seegänge ... 59
    3.3.3 Durchführung der numerischen Analyse mit SOS und Seegang ... 61

4 Experimentelle Analyse ... 67

4.1 Analyse des Systemverhaltens im Seegang ... 68
    4.1.1 Versuchsaufbau ... 68
    4.1.2 MPOSS- und Skimmermodell ... 68
    4.1.3 Durchführung und Auswertung der Versuche ... 71
4.2 Seegangsversuche mit umweltverträglichem öl ... 74
    4.2.1 Versuchsprogramm ... 75
    4.2.2 Durchführung der Ölversuche ... 77
    4.2.3 Analyse der Maßstabseffekte ... 86
4.3 Seegangsversuche mit Mineralölen ... 89
4.4 Versuche mit einem neuen Trägerschiff ... 98

5 Schlussfolgerungen ... 101

5.1 Schlussfolgerungen ... 101

6 Zusammenfassung und Ausblick ... 107

Literaturverzeichnis ... 113

Nomenklatur ... 117

A Numerische Analyse ... 121

A.1 Euler-Lagrange-Methode zur Visualisierung der Strömung ... 121
A.2 Dauer einer CFD-Rechnung ... 123

B Experimente Analyse ... 125

B.1 Strömungsvisualisierung am Ölskimmer ... 125

C Bilder und Tabellen ... 129

Kapitel 1 - Einleitung und Übersicht

1.1 Übersicht

Ohne Zweifel ist die Anzahl der Tankerunfälle und die dabei ausgelaufene Ölmenge in den letzten 30 Jahren stark gesunken. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Schiffssicherheit (z.B. durch die Einführung doppelwandiger Tanker) sowie die Verkehrssicherheit auf den Wasserstraßen durch nationale und internationale Anstrengungen einen hohen Standard erreicht haben. In Abb. 1.1 ist die Anzahl verunglückter Tanker sowie die erfreulicherweise geringe ausgelaufene Ölmenge über die letzten dreißig Jahre grafisch dargestellt (ITOPF (2004)).

Abb. 1.1: Anzahl der Tankerkatastrophen mit über 700t ausgelaufenen Öls (links), Menge des weltweit ausgelaufenen Öls (rechts) (nur in der Kaufversion verfügbar)

Es darf jedoch nicht übersehen werden, dass selbst Unfälle mit “verhältnismäßig geringen“ Mengen ausgelaufenen Öls, wie z.B. die Havarie des Holzfrachters Pallas, der 1998 vor der nordfriesischen Insel Amrum in Brand geriet, ohne Ausnahme zu Katastrophen für die maritime Flora und Fauna führen, und enorme Kosten verursachen (ca. 195 m3 ausgelaufenes Öl, 26000 Seevögel verschmutzt, 16000 Vögel getötet, Kosten: ca. 7,2 Mio Euro).

Dennoch wird angesichts der stetig steigenden Menge des über die Seewege transportierten Öls deutlich, dass das Risiko einer größeren Tankerhavarie jeden Tag aufs neue besteht. Durch die ab 2010 geltende EU-Vorschrift für doppelwandige Tanker kann die Gefahr neuer Unfälle zwar reduziert, aber nicht vollständig ausgeschlossen werden. Weiterhin ist die Verschmutzung der Meere nicht allein auf Tankerunfälle zurückzuführen, sondern auch die Industrie in küstennahen Gebieten, undichte Pipelines, Leckagen am Ort der Ölförderung selbst sowie bewusster Öleintrag durch Schiffsbesatzungen tragen ihren Teil dazu bei. Daher ist man nach wie vor auf effektive, seegangstaugliche Ölunfallbekämpfungssysteme angewiesen.

Abb. 1.2: Darstellung der Abbauprozesse von ausgelaufenem Öl (links), Satellitenbild des Ölteppichs der vor der Küste Spaniens gesunkenen “Prestige“ (rechts) (nur in der Kaufversion verfügbar)

Das Pallas-Unglück wie auch der Prestige-Untergang haben gezeigt, dass die existierenden Ölunfallbekämpfungsschiffe auf günstige Wetter- und Seegangsbedingungen warten müssen, da ihre Einsatztauglichkeit auf Wellenhöhen bis 1,5 m beschränkt ist. Abb. 1.2 zeigt jedoch, weshalb es im Fall eines Ölunfalls von größter Wichtigkeit ist, den Einsatz möglichst zeitnah durchzuführen. Mit fortschreitender Zeit breitet sich der Ölfilm auf ein immer größeres und unüberschaubares Gebiet aus und zerteilt sich in einzelne kleine Öllachen, die nur schwer zu orten sind (ITOPF (2004)). Außerdem verbindet sich das Öl mit Wasser und Luft (Emulgierung), wodurch eine spätere Separation an Bord erschwert wird.

Die bereits operierenden Ölunfallbekämpfungsschiffe haben außerdem mit Wellenbrechung entlang der Abschöpfsysteme zu kämpfen, was zu hohen Vermischungsprozessen von Öl,Wasser und Luft führt. Hierdurch wird die Menge des separierten Öls relativ zur abgeschöpften Gesamtmenge mit zunehmendem Seegang immer geringer. Es ist daher dringend notwendig, ein neues seegangsunabhängiges System zu entwickeln, das sowohl im Glattwasser als auch bei Seegang in der Lage ist, Öl effizient abzuschöpfen und zusätzlich eine hohe Transitgeschwindigkeit aufweist.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein solcher seegangsunabhängiger Oel-Skimmer (SOS), welcher an der Technischen Universität Berlin entwickelt wurde (Clauss and Abu Amro (2004a)), analysiert und optimiert. Hierbei wird das System bei unterschiedlichen Fahrtgeschwindigkeiten und Seegängen unter Verwendung von verschiedenen Ölsorten untersucht. Nach dem erfolgreichen Abschluss der ersten Versuche erfolgte die Anmeldung des Systems beim deutschen Patent- und Markenamt unter dem Titel “Gerät zur mechanischen Öl-, Algen- und Chemikalienbek ämpfung in Seegang und Glattwasser“. Der SOS wird dort unter der Patentnummer 102 21 069 geführt. Ein zweite Patentanmeldung mit dem Titel “Apparatus and process for taking up particles from a water surface“ (Patentnummer US-2005-013346-A1) wurde beim United States Patent and Trademark Office eingereicht und wird zur Zeit bearbeitet.

Abb. 1.3: Prinzipskizze des ursprünglichen Konzept des seegangsunabhängigen Oel-Skimmers (nur in der Kaufversion verfügbar)

Der Skimmer besitzt keine beweglichen Teile und besteht aus einem speziell geformten Bugsegment (Skimmerbug) zur Wellendämpfung, einer Separationsklinge und einem Moonpool, sodass die Wellendämpfung und der Separationsprozess entkoppelt sind. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Skimmerkonfigurationen numerisch und experimentell untersucht. Nach Modifikation des ursprünglichen Konzepts (Abb. 1.3) ist es gelungen, ein im Modellmaßstab funktionsfähiges System zu entwickeln (Abb. 1.4), bei dem das Wellenfeld von einem Ponton platt gewalzt und die auf der Wasseroberfläche schwimmende Ölschicht als Grenzschicht unter die Unterseite des Pontons gedrückt wird. Über eine justierbare Separationsklinge wird das ölhaltige Wasser in das Innere des Skimmers geleitet und dort abgepumpt.

Wesentlich für die Effizienz des Verfahrens ist ein Wirbel, der sich an der scharfen Hinterkante des Bugsegments durch geometrieinduzierte Ablösung der Strömung bildet (Nitsche (1994)). Dieser Wirbel zieht das Öl aus den grenzschichtnahen Bereichen in den Strömungsschatten des Bugsegments. Die aufsteigenden Ölmassen werden in nachgeschaltete Sammeltanks geleitet (Abb. 1.4).

Abb. 1.4: Prinzipskizze des voroptimierten SOS (nur in der Kaufversion verfügbar)

Der Wirbel hinter dem Bugsegment wird sowohl bei den CFD-Rechnungen als auch bei den experimentellen Untersuchungen in Glattwasser nachgewiesen. Bei Versuchen im Seegang lässt sich jedoch beobachten, dass die durch die Kreissegmentböschungen gedämpften Sloshingbewegungen im Moonpool zu einer Destabilisierung des Wirbels führen. Durch die Integration einer sog. CUSP^*-Form wird der Wirbel stabilisiert. Die Vorteile der CUSP-Form mit Kreissegmentböschung lassen sich durch spiegelbildliche Anordnung auf das Heck des Trägerschiffs übertragen. In Abb. 1.5 ist die dadurch optimierte Skimmer-Geometrie schematisch dargestellt.

Abb. 1.5: Funktionsprinzip des optimierten seegangsunabhängigen Oel-Skimmers “SOS“ im Seegang (nur in der Kaufversion verfügbar)

Die optimierte SOS-Geometrie wird im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems (Trägerschiff + SOS) durch zahlreiche numerische und experimentelle Untersuchungen im Wellenkanal erfolgreich getestet. Auf diese Analysen wird in den Kapiteln 3 und 4 detailliert eingegangen.

Im folgenden Abschnitt wird zunächst ein Überblick über die z.Z. operierenden Ölunfallbekämpfungssysteme und deren Einsatzgrenzen sowie über Forschungsprojekte, die parallel zur Entwicklung des SOS laufen, gegeben.

1.2 Stand der Forschung

Abb. 1.6: Klassifizierung der grundlegenden Abschöpfprinzipien (nur in der Kaufversion verfügbar)

Zur Beseitigung von Ölverschmutzungen auf dem offenen Meer oder im Küstenbereich sind weltweit eine Vielzahl verschiedener Systeme entwickelt worden. Um einen Überblick über die eingesetzten Systeme zu geben, werden diese im Folgenden ihrer Funktionsprinzipien entsprechend unterteilt. In Abb. 1.6 sind die Arbeitsprinzipien dieser Systeme, die bei der Beseitigung von Ölverschmutzungen zum Einsatz kommen und einen akzeptablen Wirkungsgrad bei Glattwasser erzielen, schematisch dargestellt. Problematisch wird die Ölunfallbekämpfung bei rauem Seegang, da die Schiffe nur begrenzt in der Lage sind, Öl von der bewegten Wasseroberfläche abzuschöpfen.

Am Beispiel einiger in deutschen Gewässern operierender Ölunfallbekämpfungssysteme werden die in Abb. 1.6 dargestellte Abschöpfprinzipien illustriert.

[...]

* wird von Hucho (2005) als Maßnahme zur Reduzierung des Widerstands bei Vollheckfahrzeugen (z. B. Busse und LKW) vorgeschlagen