Strömungsberechnung für Aquaparks auf Kreuzfahrtschiffen

Aquaparks auf Schiffen sind gegenüber Landanlagen besonderen Einflüssen ausgesetzt, die bei der Generierung von realitätsnahen Modellen zur Strömungsberechnung und zur thermodynamischen Vorhersage und Bewertung des Anlagenverhaltens durch entsprechende physikalische Modelle berücksichtigt werden müssen. Wesentliche Unterschiede zu stationären Landanlagen sind einerseits der veränderliche Standort, der mehrere Klimazonen überstreichen kann (Tropen bis Arktis/Antarktis). Das führt zu stark unterschiedlichen Temperaturdifferenzen und Sonneneinstrahlung zwischen einer etwa konstanten Innentemperatur und den Lufttemperaturen des aktuellen Standorts. Dementsprechend unterschiedlich sind der Wärmetransport über Wände, Boden und Dach. Andererseits ist die Bewegung des Aquaparks infolge der Schiffsbewegung in 6 Freiheitsgraden zu berücksichtigen.

Der Boom beim Bau und Betrieb moderner Kreuzfahrtschiffe führt zum Wunsch der Reedereien, besondere Erlebnisangebote wie Poollandschaften oder Aquaparks mit immer neuen Attraktionen als Alleinstellungsmerkmal auf den Schiffen zu realisieren. Dabei sollen die Investitionskosten möglichst gering sein und das Betriebskostenniveau niedrig gehalten werden.

Im Forschungsprojekt „Modellentwicklung für neuartige Aquaparks auf Luxuslinern zur nachhaltigen Erhöhung des Passagierkomforts“, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (FKZ: EP140661), wurden erfolgreich realitätsnahe Modelle entwickelt und leistungsfähige numerischer Werkzeuge zur Strömungsberechnung, zur Analyse von Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HVAC) sowie zur strukturmechanischen Bewertung der Konstruktion von Aquaparks realisiert. Damit ist es möglich, Aquaparks sowohl an Bord moderner Kreuzfahrtschiffe als auch an Land simulationsgestützt zu dimensionieren, auszulegen und zu konstruieren.

Es muss berücksichtigt werden, dass sich die einzelnen Anforderungen z. T. sehr konträr gegenüberstehen. So sollten aus thermodynamischer Sicht z. B. die Wände und Überdachungen der Aquaparks bestens isoliert sein. Dem gegenüber stehen die Forderungen nach einer möglichst in Leichtbauweise ausgeführten Konstruktion oder die besonderen Festigkeitsanforderungen, die sich aus der Bewegung des Schiffes ergeben.

Um das Verhalten des Wassers in den Pools eines Aquaparks im Seegang vorhersagen zu können, wird zunächst die Geometrie der Becken auf ein Rechengitter abgebildet. Danach wir in einer numerischen Strömungsberechnung das Strömungsgebiet um das Metazentrum der Schiffsbewegung bewegt. Das Ergebnis ist die Wasserverteilung im Pool während der Schiffsbewegung.
Wasserverteilung in einem Pool während der Rollbewegung eines Schiffs

Physikalisch bedingt können im maritimen Fall je nach Fahrtgebiet u. a. erhebliche Kondensationsprobleme oder sogar Vereisungen an der Leichtbauüberdachung der Aquaparks auftreten, wenn diese z. B. zeltartig ohne größere Isolation ausgeführt wird. Um derartige Probleme zu verhindern, können durch Strömungsberechnung am virtuellen Modell die lokalen Strömungen im Dachbereich so ausgelegt werden, dass Kondensation sicher verhindert wird.

Ein wesentlicher Bestandteil von Aquaparks sind Wasserrutschen in den verschiedensten Ausführungen. Die Kontaktfläche zwischen der rutschenden Person und der Rutsche muss ausreichend „geschmiert“, d.h. mit Wasser benetzt sein. Um sichere Aussagen zur Wasserbenetzung und der dafür erforderlichen Wassermenge machen zu können, wurde das physikalische Modell einer Rutsche abgeleitet. Dazu wurde die Geometrie erfasst und unter verschiedenen Randbedingungen (Zulaufvolumen) mit einem Mehrphasenmodell (Wasser-Luft) die Strömungsberechnung für die Phasen Wasser und Luft durchgeführt.
Wasserbenetzung und Strömungsgeschwindigkeit in einer Wasserrutsche

Mit der durch die MET GmbH entwickelten Simulationsmethodik und den leistungsfähigen Berechnungs- bzw. Simulationswerkzeugen können die hohen Komfortanforderungen an Aquaparks moderner Kreuzfahrtschiffe für unterschiedliche Schiffsbewegungen unter allen Seebedingungen unter Berücksichtigung der komplexen Wechselwirkungen von strömungstechnischen, thermodynamischen und strukturmechanischen Aspekten erfüllt werden.