Entwicklung eines Crawlergehäuses zur Fortbewegung in bodennahen Strömungen basierend auf benthischen Tieren: numerische Simulation und experimentelle Überprüfung für einen geringen Strömungswiderstand

Abstract

In dieser Arbeit wird ein Unterwasser-Crawler für Pipelineinspektionen in der Nordsee bionisch ausgelegt, um eine Einsatzdauer von mindestens sechs Stunden zu erreichen. Als biologisches Vorbild dient der Leopardenhai, dessen Körperform abstrahiert und in drei Varianten umgesetzt wird. Ergänzend wurde ein Ellipsoid als Referenzkörper verwendet. Die Analyse erfolgt numerisch in OpenFOAM anhand zweier Studien, einer mit konstanter Reynolds-Zahl zur Absicherung des Turbulenzmodells und einer mit realen Reynoldszahlen für praxisnahe Bedingungen. Widerstands- und Auftriebsbeiwerte werden in fünf Standard- und drei Validierungsfällen bestimmt und sowohl mit einer konstanten volumetrischen Bezugsfläche als auch mit fall- und körperabhängigen Projektionsflächen ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen Widerstandsbeiwerte im Bereich von 0,025 bis 0,17 in Frontalanströmung, während in lateraler Anströmung ein Maximum mit bis zu 1,15 auftritt. Auftriebsbeiwerte verdeutlichen die Bedeutung von Druckasymmetrien in lateraler und schräger Anströmung. Die Entdimensionierung über ein volumetrisches Referenzmaß stellt die Vergleichbarkeit der Geometrien sicher. Unter realistischen Bedingungen erreicht das große Modell Einsatzzeiten von bis zu 11,8 Stunden, zudem kann eine vorgegebene Zielgeschwindigkeit von 3,1 m/s bewältigt werden. Windkanalversuche an 3D-gedruckten Modellen bestätigten die Tendenzen der numerischen Ergebnisse, Literaturwerte für Ellipsoide im gleichen Reynolds-Zahl-Bereich untermauerten die Übertragbarkeit.