3 Monate Zeitersparnis
10.000 GPB Kostenersparnis
Das 2002 in Orkney gegründete Unternehmen Orbital Marine Power Limited entwickelt kostengünstige schwimmende Gezeitenturbinen. Im Laufe der Jahre expandierte das Unternehmen weiter, indem es sein Kernprodukt schrittweise verbesserte, Geschäfts- und Technologiepartner akquirierte und bedeutende EU-Fördermittel erhielt. Mit mehr als 17 Ingenieuren und Technikern an Bord ist Orbital Marine Power zweifellos eines der weltweit führenden Unternehmen im Bereich der Gezeitenenergieumwandlung.
Der Einsatz von computergestütztem Engineering (CAE) bei Orbital Marine Power hatte vor allem zwei Gründe. Der erste war die Modellierung des Turbinenbeins und der Gondel, um die hydrodynamische Leistung zu optimieren und die Auswirkungen des Schatteneffekts zu reduzieren. Dies würde zu einer höheren Leistung der Turbine führen. Zu diesem Zweck wurden Simulationen durchgeführt, um die Widerstands- und Auftriebskoeffizienten besser quantifizieren zu können.
Das zweite wesentliche Thema war die Durchführung von Mehrphasensimulationen der Turbine, des Strangs und der Gondel in der oberen (Wartungs-)Position. Ziel war es, zu veranschaulichen, wie die Gezeitenströmung mit der Turbine interagiert, damit der Wartungszugang untersucht werden kann. Besonders wichtig ist dies an der Spitze der Turbine, wo sich der Schlepppunkt befindet.
Obwohl sie für minimale manuelle Eingriffe ausgelegt ist, muss sie aus Sicherheitsgründen dennoch zugänglich sein. Neben der Turbinenspitze befinden sich weitere kritische Punkte der Modellierung an der Gondel und am Bein. Diese müssen vor Ort zugänglich sein, und zwar bei potenziell starken Gezeitenbedingungen. Die Gondel und das Bein haben zwei wichtige Zugangspunkte: einen an der Nabe für den Zugang zum variablen Pitchsystem und einen am Gondelkörper. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass beide Bereiche im Falle einer Störung leicht zugänglich sind.
Bevor das Team von Orbital Marine Power SimScale einsetzte, simulierte es mit anderen CFD-Paketen, die jedoch hohe Kosten verursachten und die Verfügbarkeit in den zwei verschiedenen Büros erheblich einschränkten. Da SimScale cloudbasiert ist, konnten die Ingenieure im Büro auf den Orkney-Inseln mit ihren Kollegen in Edinburgh an den Projekten zusammenarbeiten. Dies ist angesichts der Art der Geschäftstätigkeit des Unternehmens, bei der die Ingenieure einen Großteil ihrer Zeit auf Baustellen und in der Produktion verbringen müssen, wichtig.
Auf SimScale kann man von überall aus zugreifen, wo eine Internetverbindung verfügbar ist, was für das Team ein großer Vorteil war. Mit der Plattform konnten umständliche Remote-Desktop-Verbindungen, die zuvor für den Zugriff auf Desktop-basierte Software erforderlich waren, vollständig vermieden werden, so dass stattdessen eine schnelle, zuverlässige und einfach zu bedienende Schnittstelle zur Verfügung stand.
SimScale ist eine erstaunliche Plattform, mit der CAE mit minimalem Aufwand und minimalen Ressourcen durchgeführt werden kann. Da sie cloudbasiert ist, kann jeder, der über eine Internetverbindung verfügt, darauf zugreifen und die Anzahl der zu verwendenden Kerne auswählen, so dass der Benutzer keine physische Rechenleistung benötigt.
Mark Byers
Ingenieur für Hydrodynamik bei Orbital Marine Power
Der Hauptgrund für den Einsatz von SimScale bei Orbital Marine Power war die Tatsache, dass die Software cloudbasiert ist und damit die Durchführung von Simulationen und der Austausch von Ergebnissen mit anderen Ingenieuren erleichtert wird. Da die Berechnungen in der Cloud durchgeführt wurden, wurden die Computerressourcen im Unternehmen nicht zusätzlich belastet. Dies führte auch dazu, dass die Simulationen schneller durchgeführt werden konnten – die Ingenieure konnten angeben, wie viel CPU für die Analysen verwendet werden sollte.
Der Schwerpunkt lag auf der Durchführung von Mehrphasensimulationen, die es Orbital Marine Power ermöglichten, sowohl die freie Oberfläche um die Turbine als auch die Gondel- und Nabengeometrie zu untersuchen.
Für die Untersuchung der Strömung um das Bein herum, um die CD- (Widerstand) und CL- (Auftrieb) Koeffizienten besser zu quantifizieren, wurde die Geometrie für die Simulation von Windkanalbedingungen vorbereitet. Eine zusätzliche dünne Scheibe wurde der Beingeometrie hinzugefügt, um das durch des Beines verursachte Geschwindigkeitsdefizit besser zu verstehen.
Es wurden überwiegend hex-dominante parametrische Netze mit etwa 1-3 Mio. Kontrollvolumen verwendet. In einigen Fällen wurde ein hex-dominanter parametrischer Windkanal für die externe Strömung verwendet.
Zu Beginn erwies sich das Setup für die Mehrphasensimulation als besonders schwierig. Glücklicherweise halfen die Mitarbeiter des Online-Supports von SimScale, alle Probleme zu lösen
“Der Kundensupport und die Online-Hilfe von SimScale sind unübertroffen. Insbesondere die Chat-Option machte es sehr einfach, den Support zu kontaktieren, und die Möglichkeit, das Projekt zu teilen, bedeutete, dass wir eine Kopie herunterladen und durcharbeiten konnten, um eine Lösung zu finden. Der Prozess verlief sehr schnell und erwies sich als unvergleichlich besser als jeder andere Support, dem unser Team bisher begegnet ist. Es ist wirklich eine hervorragende Plattform,” sagte Mark Byers, Hydrodynamik-Ingenieur bei Orbital Marine Power
Alle durchgeführten Simulationen liefen gut und erreichten innerhalb der vorgeschriebenen Höchstlaufzeit mindestens 1e-4 in der Restgröße. Für die Leistung des Beins wurde eine Reihe von Simulationen durchgeführt, um die Wiederholbarkeit zu gewährleisten. Die Simulationen wurden bei verschiedenen Anströmungsgeschwindigkeiten durchgeführt, um die aerodynamische Leistung des Beins zu validieren. Darüber hinaus wurden mehrere Simulationen zur Untersuchung der Nachlaufmuster durchgeführt.
Anhand der erzielten Ergebnisse konnte das Team den Luftwiderstand und den Auftrieb des Schenkels bestätigen, Stromlinien aufzeichnen und das Geschwindigkeitsdefizit verfolgen. Die Ergebnisse flossen direkt in die Konstruktion der Schenkel ein und ermöglichten die Optimierung der Turbinenleistung.
Die computergestützte Entwicklung hat sich im Konstruktionsprozess von Orbital Marine Power als hervorragendes Werkzeug erwiesen, mit dem kleine Änderungen untersucht und optimiert werden können. Ohne CAE hätten verschiedene Modellversuche durchgeführt werden müssen, was kostspielig und sehr zeitaufwendig gewesen wäre. Bei jeder neuen Iteration des Designs wären weitere Tankversuche erforderlich gewesen, bis das endgültige Design erreicht war. CAE mit SimScale ermöglichte es Orbital Marine Power, das endgültige Design in einem viel schnelleren Zeitrahmen und mit erheblichen Kosteneinsparungen zu erreichen. Es ist geplant, dass das endgültige Design schließlich Tankversuchen unterzogen wird, um die Ergebnisse zu validieren und sicherzustellen, dass alle Designziele erreicht werden.
Durch die Online-Modellierung konnte das Team von Orbital Marine Power mehrere Monate einsparen, da die Iterationen bei Entwurf, Fertigung und Tests reduziert werden konnten. Hinzu kam die finanzielle Einsparung, da die Herstellung von maßstabsgetreuen Modellen und die Durchführung von Tests sehr kostspielig sein können (3.000 $/Tag für die Anmietung eines Tanks).
Darüber hinaus wurden die von SimScale gelieferten Ergebnisse direkt für die Planung des Schiffsbetriebs und der Wartung der Gondel und der Nabe verwendet, sobald die Turbine in Betrieb sein wird. Auf diese Weise kann eine Entscheidung über die geeigneten Umgebungsbedingungen getroffen werden, unter denen ein Zugang versucht werden kann.
“Um die Ergebnisse eines maßstabsgetreuen Modells zu erhalten, hätten wir 1 bis 2 Monate gebraucht und für jede Iteration des Entwurfs 10.000 £ bezahlt. Mit SimScale waren wir in der Lage, Simulationen in weniger als einer Stunde laufen zu lassen, kleine Änderungen am Design vorzunehmen und erneut laufen zu lassen, was den iterativen Designprozess auf einige Tage verkürzt hat,“ so Jonathan Meason, CTO bei Orbital Marine Power.
Dadurch, dass neue Konzepte nicht im Maßstab 1:1 getestet werden mussten, konnte Orbital Marine Power über 10.000 £ einsparen. Auch der Entwurfsprozess wurde um mindestens 2-3 Monate verkürzt. Der Einsatz der SimScale-Plattform ist bereits geplant und wird einen wesentlichen Teil des neuesten Turbinenentwurfs des Unternehmens ausmachen.
Da das Produkt kurz vor der vollständigen Kommerzialisierung steht, spielen die auf SimScale durchgeführten Simulationen eine große Rolle bei der Entwicklung der Gezeitenenergieindustrie.
“SimScale ist eine unglaubliche Plattform. Sie verbessert den Zugang zu CAE für Anwender aller Fachrichtungen. Sie hat das Potenzial, die Branche völlig zu verändern und kann wesentlich mehr Nutzer erreichen. Die Benutzeroberfläche ist unglaublich einfach zu bedienen und ermöglicht es, schnell ein hohes Maß an Kompetenz zu erlangen. Und schließlich macht die Unterstützung durch den Experten-Chat oder die Foren das gesamte Tool zu einer unglaublich angenehmen Erfahrung,” so Mark.
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