This Ph.D. thesis presents the optimization of the (mostly) sea state independent
oil skimming system SOS by means of numerical and experimental analyses. Here
the SOS performance of counteracting oil disasters at open sea is closely examined.
As a result of the evaluation of the functional principle of the system, it is
found that the SOS shows a higher efficiency compared to existing oil recovery
systems - especially in high seas.
The SOS does not feature any moving parts. The system consists of a moon
pool (oil dike) and a pontoon (bow segment), which glides on the heavily moving,
oil polluted water surface, damping the waves. As a result of this arrangement,
the oil layer to flows underneath the pontoon towards a transverse blade, which
separates the oil from the water and protects the moon pool from wave effects.
At the trailing edge of the bow segment a vortex develops, accelerating the oil
particles in addition to their positive buoyancy towards the water surface of the
moon pool. The wave-induced motions of the system cause sloshing effects of
the fluid within the oil dike. These sloshing motions convey the oil particles over
an adjustable slope into an oil sump from where they can be pumped off in a
concentrated form.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Übersicht
1.1 Übersicht
1.2 Stand der Forschung
1.2.1 Loch-im-Wasser-Prinzip
1.2.2 Mechanischer Transport
1.2.3 Forschungsprojekte
1.3 Ziel der Arbeit
2. CFD-Verfahren
2.1 Grundlagen der numerischen Simulationen
2.1.1 Strömungsmechanische Grundgleichungen
2.1.2 Turbulenzmodellierung
2.1.3 Reynolds-Spannungsmodell
2.1.4 Wirbelviskositätsmodelle
2.2 Mehrphasenströmung (Luft/Öl/Wasser)
2.3 Diskretisierung der Differentialgleichungen
2.4 Spezielle Modellbildung für den Ölskimmer
2.4.1 Geometriemodellierung
2.4.2 Gittergenerierung
2.4.3 Ölmodellierung
3. Numerische Analyse
3.1 Zweiphasige Strömungsberechnung (AS I)
3.1.1 Optimierung der Durchflussrate am Klingenspalt
3.1.2 Strömungsvisualisierung im Moonpool des SOS
3.1.3 Numerische Analyse der Strömungsverhältnisse des in das MPOSS integrierten SOS
3.1.4 Numerische Analyse der Sloshingbewegungen
3.2 Dreiphasige Strömungsberechnung (AS II)
3.2.1 Validierung der Strömungsberechnungen
3.2.2 Numerische Berechnungen mit Mineralölen
3.2.3 Optimierung der Heckform des Trägerschiffs
3.3 Dreiphasige Strömungsberechnung mit Seegang
3.3.1 Randbedingungen der Strömungsberechnungen mit Seegang
3.3.2 Validierung der im numerischen Kanal generierten Seegänge
3.3.3 Durchführung der numerischen Analyse mit SOS und Seegang
4. Experimentelle Analyse
4.1 Analyse des Systemverhaltens im Seegang
4.1.1 Versuchsaufbau
4.1.2 MPOSS- und Skimmermodell
4.1.3 Durchführung und Auswertung der Versuche
4.2 Seegangsversuche mit umweltverträglichem Öl
4.2.1 Versuchsprogramm
4.2.2 Durchführung der Ölversuche
4.2.3 Analyse der Maßstabseffekte
4.3 Seegangsversuche mit Mineralölen
4.4 Versuche mit einem neuen Trägerschiff
5. Schlussfolgerungen
5.1 Schlussfolgerungen
6. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Hauptziel, die Leistungsfähigkeit des seegangsunabhängigen Ölskimmers (SOS) durch numerische und experimentelle Analysen zu optimieren, um seine Effektivität bei der Bekämpfung von Ölunfällen auf hoher See zu steigern.
- Optimierung der Strömungsvorgänge im Moonpool mittels CFD-Methoden.
- Untersuchung und Dämpfung von Sloshing-Effekten bei Seegang.
- Entwicklung und Validierung von Heck-Formen zur Wirbelstabilisierung.
- Experimentelle Analyse in Modellmaßstäben mit verschiedenen Ölarten.
- Ableitung technischer Entwurfskriterien für ein effektives Ölskimmer-Gesamtsystem.
Auszug aus dem Buch
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)).
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.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung und Übersicht: Einführung in die Problematik von Ölunfällen auf See und Vorstellung des seegangsunabhängigen Ölskimmers (SOS) als Lösungsansatz.
2. CFD-Verfahren: Beschreibung der numerischen Grundlagen, einschließlich der RANS-Gleichungen und der VOF-Methode zur Simulation von Mehrphasenströmungen.
3. Numerische Analyse: Detaillierte Betrachtung der Strömungsverhältnisse um den Skimmer, Optimierung der Geometrie durch schrittweise CFD-Analysen (AS I bis AS III).
4. Experimentelle Analyse: Validierung der numerischen Ergebnisse durch Modellversuche im Wellenkanal unter verschiedenen Seegangs- und Ölbedingungen.
5. Schlussfolgerungen: Zusammenstellung der technischen Empfehlungen und Designkriterien für die praktische Umsetzung des SOS-Systems.
6. Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der erzielten Forschungsergebnisse und Aufzeigen zukünftiger Anwendungsmöglichkeiten, wie die Integration in Mehrzweckschiffe.
Schlüsselwörter
Ölskimmer, SOS, Seegang, CFD-Simulation, Ölunfallbekämpfung, Moonpool, Mehrphasenströmung, Sloshing, Wellendämpfung, Wirkungsgrad, Modellversuche, Strömungsanalyse, Trägerschiff, Separationsklinge, CUSP-Form.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Dissertation befasst sich mit der technischen Optimierung eines seegangsunabhängigen Ölskimmers (SOS), um dessen Leistungsfähigkeit bei der Beseitigung von Ölverschmutzungen auf offener See zu verbessern.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit behandelt die numerische Strömungsmechanik (CFD), die physikalische Modellierung von Mehrphasenströmungen sowie experimentelle Untersuchungen im Bereich der Meerestechnik und Schifffahrtssicherheit.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Erhöhung des Wirkungsgrads des SOS durch Anpassung der Geometrie (z.B. Bugsegment, Separationsklinge) und die Reduzierung störender Sloshing-Effekte im Moonpool.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor kombiniert numerische Simulationen (RANSE, VOF-Methode, Euler-Lagrange-Verfahren) mit umfangreichen experimentellen Schleppversuchen im Wellenkanal der TU Berlin.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine numerische Phase (CFD-Analysen zur Formoptimierung) und eine experimentelle Phase (Validierung der Ergebnisse in Modellmaßstäben mit verschiedenen Ölsorten und Seegängen).
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Ölskimmer, SOS, Seegang, CFD-Simulation, Moonpool, Sloshing und Wirkungsgradoptimierung.
Was ist der Zweck der CUSP-Form?
Die CUSP-Form wird im Moonpool integriert, um den bei hohen Geschwindigkeiten instabilen Wirbel hinter dem Bugsegment zu stabilisieren und somit den kontinuierlichen Fluss der Ölpartikel in den Sumpf zu gewährleisten.
Warum ist die Wahl des Trägerschiffs entscheidend für den Wirkungsgrad?
Die Untersuchung zeigt, dass größere Trägerschiffe (z.B. 80 m Länge) bei hohen Seegängen ein stabileres Verhalten und somit einen besseren Wirkungsgrad aufweisen als kleinere Schiffe, da sie weniger stark zu bewegungsinduzierten Störungen im Moonpool neigen.
- Arbeit zitieren
- Dr. Mazen Abu Amro (Autor:in), 2007, Optimierung eines seegangsunabhängigen Ölskimmers durch numerische und experimentelle Analysen, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/77427
