Ein Werkzeug zur Fanggeräteoptimierung (SimuNet)

Hintergrund und Zielsetzung

Die Fischereipolitik der EU fordert und fördert durch den Europäischen Meeres- und Fischereifond (EMFF) Maßnahmen, die darauf abzielen, die Fischerei wettbewerbsfähig, ökologisch nachhaltig, rentabel, ressourcenschonend und sozial verantwortungsvoll zu gestalten. Im Hinblick auf die verwendeten Fischereigeräte bedeutet das:

• Anpassung der Selektivität des Fanggeräts an die Erfordernisse,
• Reduzierung der Einwirkung des Fangeräts auf die Meeresumwelt (z.B. den Meeresboden),
• Reduzierung des Schleppwiderstands des Fanggeräts/-systems, um so den Treibstoffverbrauch und damit den CO₂-Ausstoß zu senken.

Die Neu- bzw. Weiterentwicklung von Fanggeräten ist hierfür eine Grundvoraussetzung. Eine wichtige Hilfestellung bei der Entwicklung ist die Vorhersage der Form des Fanggerätes und der damit verbundenen Hydrodynamik. Allerdings fehlt es zurzeit an Simulationswerkzeugen, die es erlauben, Hydrodynamik und Verformung des Systems gekoppelt zu analysieren.

Daher soll in dem vorliegenden Projekt eine quelloffene („open source“) Simulationssoftware entwickelt werden, welche die gekoppelte Simulation von Hydrodynamik und Verformung von Fanggeräten ermöglicht. Innerhalb des Projekts liegt der Fokus zwar auf geschleppten Fanggeräten (Schleppnetze), aber das zu entwickelnde Simulationswerkzeug ist auch für andere Fanggerätetypen wie z.B. Reusen, Stellnetze, Waden und Netzkäfige anwendbar.

Da die Software quelloffen gestaltet wird, ist ihre Verbreitung problemlos und Erweiterungen sind einfach und über das Projektende hinaus möglich.

Vorgehensweise

Bisherige Methoden zur Vorhersage des Strömungsfelds im und ums Fanggerät betrachten die Netzstruktur als starr. Anders herum berechnen Softwareprogramme die Form eines Fanggeräts unter der Annahme einer idealen unbeeinflussten Strömung. Tatsächlich aber wird die Form, die eine flexible Struktur annimmt, von dem Strömungsfeld um sie herum bestimmt. Gleichzeitig beeinflusst eine bestimmte Form wiederum die Strömung um diese Struktur.

Um diese Wechselwirkung zwischen dem Fluid und der Struktur wiederzugeben, müssen einerseits die existierenden Programme zur Berechnung der Verformung derart modifiziert werden, sodass diese das aus der Strömungssimulation vorhergesagte Strömungsfeld zur Formberechnung nutzen; andererseits muss die in der Strömungssimulation verwendete Geometrie entsprechend der Lösung der Formberechnung modifiziert werden. Dieser Vorgang muss so oft wiederholt werden, bis sich ein Gleichgewicht oder zyklische Änderungen (Flattern/Schwingen) eingestellt haben.

Eine besondere Herausforderung ist die Wahl der geeigneten Vernetzungsstrategie. Für jeden Simulationsschritt muss das umgebende Medium (Fluid, Wasser) neu in kleine Volumenelemente unterteilt werden (Diskretisierung). Da eine Vielzahl von Iterationsschritten erwartet wird, bis eine finale (eingeschwungene) Form- und Strömungsvorhersage vorliegt, müssen der Vernetzungsprozess und der Datenaustausch zwischen den Programmen zur Form und Strömungsberechnung automatisiert, sprich ohne das Eingreifen eines Nutzers, ablaufen. Das heißt, Strömungsberechnung, Formberechnung und Vernetzung müssen gekoppelt ablaufen.

Daten und Methoden

Die Programmierung der dazu notwendigen Skripte ist ein zentraler Bestandteil dieses Projektes. Des Weiteren müssen die bisherigen Arbeiten zum Thema „Poröses Medium“ (Grundlage zur Simulation von Netzmaterial) auf die Software, die für die Strömungssimulation verwendet wird, übertragen werden. Die hydrodynamischen Eigenschaften der Netzmaterialien, die für die Beschreibung des porösen Mediums notwendig sind, werden durch Experimente bestimmt.

Als erster Test für die Eignung und Einsatzfähigkeit der ausgewählten und angepassten Programme zur Form- und Strömungsberechnung ist vorgesehen, diese für die Simulation eines Schleppnetzes (bzw. einzelner Komponenten) zu verwenden. Die Erkenntnisse aus den Simulationsergebnissen sollen in Seeversuchen bestätigt werden. Basierend auf diesen Arbeiten sollen erste Optimierungsmaßnahmen bezüglich des Schleppwiderstands an Fanggerätekomponenten identifiziert und mit der Fischerei diskutiert werden.

Mit fortschreitender Entwicklung des Gesamtprogramms (gekoppelte Softwaremodule) soll das gesamte Fanggerät analysiert und daraus weitere Optimierungsvorschläge abgeleitet werden. Ein nach diesen Vorschlägen modifiziertes Fanggerät sowie ein aktuell verwendetes Fanggerät sollen im Seeversuch untersucht und verglichen werden. Da im Seeversuch der Einsatz von Messtechnik sehr eingeschränkt ist und Randbedingungen wie das Vorhandensein von Querströmungen bzw. Strömungskomponenten durch z.B. Schiffsschraube, Wellenbewegungen oder natürliche Strömungen nur bedingt reproduzierbar sind, braucht es für die Validierung des Simulationsprogramms zusätzliche Versuche im Strömungskanal.