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Systematische Untersuchungen zur Erfassung von Squat und Trimm sowie schiffserzeugter Druck- und Wellensysteme bei Fahrt im Revier mit seitlich begrenzter Fahrrinne im Flachwasser: Unterschied zwischen den Versionen

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[[en:Systematic investigation of Squat, Trim and Ship induced wave trains in shallow and restricted waters]]
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[[en:Systematic studies for recording  squat and trim together with ship-induced pressure and wave systems when passing through channels in confined shallow water]]
  
 
Autor: [mailto:klemens.uliczka@baw.de K. Uliczka]
 
Autor: [mailto:klemens.uliczka@baw.de K. Uliczka]
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Die untersuchten Fahrwasserquerschnitte und (Teil-)Querschnittsverhältnisse sind in Bild 1 beispielhaft für den MEGA-JUMBO zusammengestellt:
 
Die untersuchten Fahrwasserquerschnitte und (Teil-)Querschnittsverhältnisse sind in Bild 1 beispielhaft für den MEGA-JUMBO zusammengestellt:
* Trapezprofil, mittige Fahrt, Querschnittsverhältnisse n = 25, 20, 15, 10.  
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* Trapezprofil, mittige Fahrt, Querschnittsverhältnisse n = 25, 20, 15, 10 ([http://www.baw.de/DE/wasserbau/methoden/mathemat_verfahren/cfd_berechnungen/cfd_berechnungen.html Ergebnisse aus CFD-Simulationen]).  
 
* Trapezprofil, außermittige Fahrt, Teilquerschnittsverhältnisse n<sub>T</sub> = 10/5, 20/10, 25/10.
 
* Trapezprofil, außermittige Fahrt, Teilquerschnittsverhältnisse n<sub>T</sub> = 10/5, 20/10, 25/10.
 
* Kombiniertes Profil, außermittige Fahrt, Teilquerschnittsverhältnisse n<sub>T</sub> = 25/10, 20/10, 10/5.
 
* Kombiniertes Profil, außermittige Fahrt, Teilquerschnittsverhältnisse n<sub>T</sub> = 25/10, 20/10, 10/5.
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===Ausgewählte Ergebnisse – Schiffserzeugte Belastung===
 
===Ausgewählte Ergebnisse – Schiffserzeugte Belastung===
  
Die gleichzeitig mit der [[Schiffsdynamik]] gemessenen geschwindigkeitsabhängigen, schiffser-zeugten Wasserspiegeländerungen ([[Absunk]] z<sub>A</sub>, [[Primärwelle]] H<sub>P</sub> und Sekundärwelle H<sub>S</sub>) und dessen querschnittsabhängige Verteilung im Fahrwasser wurden beispielhaft für den [[Absunk]] z<sub>A</sub> in den Bildern 4 und 5 dargestellt:
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Die gleichzeitig mit der [[Schiffsdynamik]] gemessenen geschwindigkeitsabhängigen, schiffser-zeugten Wasserspiegeländerungen ([[Absunk]] z<sub>A</sub>, [[Primärwelle]] H<sub>P</sub> und Sekundärwelle H<sub>S</sub>) und dessen querschnittsabhängige Verteilung im [[Fahrwasser]] wurden beispielhaft für den [[Absunk]] z<sub>A</sub> in den Bildern 4 und 5 dargestellt:
 
* Eine mittige Fahrt bewirkt eine symmetrische Verteilung und Abnahme des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im Fahrwasserquerschnitt (Bild 4, mittige Fahrt, links).
 
* Eine mittige Fahrt bewirkt eine symmetrische Verteilung und Abnahme des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im Fahrwasserquerschnitt (Bild 4, mittige Fahrt, links).
 
* Bei geringer UKC bestimmt das Teilquerschnittsverhältnis die Abnahme des Absunks bis hin zum [[Ufer]] (Bild 4, außermittige Fahrt, rechts).
 
* Bei geringer UKC bestimmt das Teilquerschnittsverhältnis die Abnahme des Absunks bis hin zum [[Ufer]] (Bild 4, außermittige Fahrt, rechts).
* Die Abnahme des Absunks im Fahrwasserquerschnitt in Abhängigkeit des Passierabstands zum Ufer wird anhand des Vergleichs beider Grafiken in Bild 4 deutlich: Am rechten Ufer ist die Absunkbelastung aufgrund ähnlicher Teilquerschnittsverhältnisse annähernd gleich, am linken Ufer führt der größere Passierabstand des fahrenden Schiffs zu eine deutlich geringeren Belastung am Böschungsfuß.
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* Die Abnahme des Absunks im Fahrwasserquerschnitt in Abhängigkeit des Passierabstands zum [[Ufer]] wird anhand des Vergleichs beider Grafiken in Bild 4 deutlich: Am rechten Ufer ist die Absunkbelastung aufgrund ähnlicher Teilquerschnittsverhältnisse annähernd gleich, am linken Ufer führt der größere Passierabstand des fahrenden Schiffs zu eine deutlich geringeren Belastung am Böschungsfuß.
  
 
[[Bild: Absunk_MegaJumbo_b4.jpg|thumb|Bild 4: Darstellung der Verteilung des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im Fahrwasser-querschnitt für die Querschnittsverhältnisse n = 21 und nT = 36 / 23 (JUMBO) (90k)]]
 
[[Bild: Absunk_MegaJumbo_b4.jpg|thumb|Bild 4: Darstellung der Verteilung des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im Fahrwasser-querschnitt für die Querschnittsverhältnisse n = 21 und nT = 36 / 23 (JUMBO) (90k)]]
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[[Bild: geschw_Absunk_MegaJumbo_b5.jpg|thumb|Bild 5: Darstellung der Verteilung des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im kombinierten Fahrwasserquerschnitt (mit Transportkörpern in der Fahrrinne) für das Teilquerschnittsver-hältnis n<sub>T</sub> = 10/5 (MEGA-JUMBO) (75k)]]
 
[[Bild: geschw_Absunk_MegaJumbo_b5.jpg|thumb|Bild 5: Darstellung der Verteilung des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im kombinierten Fahrwasserquerschnitt (mit Transportkörpern in der Fahrrinne) für das Teilquerschnittsver-hältnis n<sub>T</sub> = 10/5 (MEGA-JUMBO) (75k)]]
  
Eine weitergehende Analyse der langperiodischen schiffserzeugten Belastungen am jeweiligen Böschungsfuß in Abhängigkeit der Teilquerschnitte (hier: Absunk z<sub>A</sub>) fasst die Ergebnisse der umfangreichen Systemversuche der BAW in Bild 6 für das JUMBO-Containerschiff (PPM40) zusammen. Die Grafik zeigt die Abnahmefunktionen des Absunks z<sub>A</sub> in Abhängigkeit des Teilquerschnittverhältnisses n<sub>T</sub> für verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten eines PPM40-Containerschiffs.
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Eine weitergehende Analyse der langperiodischen schiffserzeugten Belastungen am jeweiligen Böschungsfuß in Abhängigkeit der Teilquerschnitte (hier: [[Absunk]] z<sub>A</sub>) fasst die Ergebnisse der umfangreichen Systemversuche der BAW in Bild 6 für das JUMBO-Containerschiff (PPM40) zusammen. Die Grafik zeigt die Abnahmefunktionen des Absunks z<sub>A</sub> in Abhängigkeit des Teilquerschnittverhältnisses n<sub>T</sub> für verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten eines PPM40-Containerschiffs.
  
 
[[Bild: Abnahme_Absunk_PPM40_b6.jpg|thumb|Bild 6: : Abnahmefunktionen des Absunks zA in Abhängigkeit des Teilquerschnittverhältnisses  nT für verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten eines PPM40-Containerschiffs (90k)]]
 
[[Bild: Abnahme_Absunk_PPM40_b6.jpg|thumb|Bild 6: : Abnahmefunktionen des Absunks zA in Abhängigkeit des Teilquerschnittverhältnisses  nT für verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten eines PPM40-Containerschiffs (90k)]]
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* Bei der Bemessung einer Fahrrinnentiefe ist hinsichtlich der Größe des Squats nicht nur die Kielfreiheit UKC<sub>R</sub> sondern auch das [[Querschnittsverhältnis]] n von eingetauchtem Hauptspantquerschnitt A<sub>S</sub> zum Fahrwasserquerschnitt A zu berücksichtigen (S = f (n, UKC<sub>R</sub>, v<sub>S</sub>, ...) mit n = A<sub>S</sub> / A).
 
* Bei der Bemessung einer Fahrrinnentiefe ist hinsichtlich der Größe des Squats nicht nur die Kielfreiheit UKC<sub>R</sub> sondern auch das [[Querschnittsverhältnis]] n von eingetauchtem Hauptspantquerschnitt A<sub>S</sub> zum Fahrwasserquerschnitt A zu berücksichtigen (S = f (n, UKC<sub>R</sub>, v<sub>S</sub>, ...) mit n = A<sub>S</sub> / A).
* Eine außermittige Fahrt bewirkt nur geringe bis sehr geringe Zunahmen des Squat beim Vergleich mit mittiger Fahrt (S ≠ f (L, ...) ).
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* Eine außermittige Fahrt bewirkt nur geringe bis sehr geringe Zunahmen des [[Squat]] beim Vergleich mit mittiger Fahrt (S ≠ f (L, ...) ).
 
* Es ist kein wirksamer Einfluss von Böschungsform oder Vorlandbereich auf den Squat bei gleichem Fahrwasserquerschnitt festgestellt worden (S ≠ f (1:m, …) ).
 
* Es ist kein wirksamer Einfluss von Böschungsform oder Vorlandbereich auf den Squat bei gleichem Fahrwasserquerschnitt festgestellt worden (S ≠ f (1:m, …) ).
* Bei geringer UKC<sub>R</sub> bestimmt das Teilquerschnittsverhältnis n<sub>T</sub> von Schiff A<sub>S</sub>/2 und Wasserstraße A<sub>T</sub> in Abhängigkeit des Passierabstands L zum Ufer das geschwindigkeitsabhängige Maß der schiffserzeugten langperiodischen Wellen- und Strömungsbelastung (z.B.: Absunk z<sub>A</sub> = f (n<sub>T</sub>, v<sub>S</sub>, …) mit n<sub>T</sub> = 0,5 A<sub>T</sub> / A<sub>S</sub> bei A<sub>T</sub> = f (L, ...) ).
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* Bei geringer UKC<sub>R</sub> bestimmt das Teilquerschnittsverhältnis n<sub>T</sub> von Schiff A<sub>S</sub>/2 und [[Wasserstraße]] A<sub>T</sub> in Abhängigkeit des Passierabstands L zum Ufer das geschwindigkeitsabhängige Maß der schiffserzeugten langperiodischen Wellen- und Strömungsbelastung (z.B.: Absunk z<sub>A</sub> = f (n<sub>T</sub>, v<sub>S</sub>, …) mit n<sub>T</sub> = 0,5 A<sub>T</sub> / A<sub>S</sub> bei A<sub>T</sub> = f (L, ...) ).
  
 
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Aktuelle Version vom 28. November 2017, 08:03 Uhr


Autor: K. Uliczka

Randbedingungen

Die Untersuchungen zum fahrdynamischen Verhalten sehr großer POST-PANMAX-Containerschiffe bei Revierfahrt in seitlich und tiefenbegrenztem Fahrwasser wurden im Flachwasserbecken der BAW-DH (Länge ca. 100 m, Breite ca. 35 m, max. Wassertiefe 0,7 m) in einem Modellmaßstab von 1:40 nach den FROUDEschen Modellgesetzen vorgenommen.
Die Abmessungen und untersuchten Parameter der eingesetzten Modellschiffe waren:

Bezeichnung Länge Breite Tiefgang UKCR* cB-Wert** SG+ Gewichtstrimm KG++
- m m m m - - - m
JUMBO 320 40 14,5 1-2 0,740 6,29 Hart 11,8
MEGA-JUMBO 360 55 15,5 1-1,5-2 0,677 6,10 Hart 10,2

*UKCR: Under-Keel-Clearance, **cB: Blockkoeffizient, +SG: Schlankheitsgrad, ++KG: Gewichtsschwerpunkt über Kiel

Die Tiefen-FROUDE-Zahlen lagen bei 0,27 < Frh < 0,68. Die REYNOLDS-Zahlen wurden ermittelt zu Werten zwischen 3,1 · 106 < Re < 6,2 · 107 (Faktor 10 > ReKRIT,erf). Durch Einhaltung der geometrischen und dynamischen Ähnlichkeitsbedingungen war die Prognosefähigkeit der Untersuchungen sichergestellt.

Die untersuchten Fahrwasserquerschnitte und (Teil-)Querschnittsverhältnisse sind in Bild 1 beispielhaft für den MEGA-JUMBO zusammengestellt:

  • Trapezprofil, mittige Fahrt, Querschnittsverhältnisse n = 25, 20, 15, 10 (Ergebnisse aus CFD-Simulationen).
  • Trapezprofil, außermittige Fahrt, Teilquerschnittsverhältnisse nT = 10/5, 20/10, 25/10.
  • Kombiniertes Profil, außermittige Fahrt, Teilquerschnittsverhältnisse nT = 25/10, 20/10, 10/5.
Bild 1: Untersuchte Fahrwasserquerschnitte mit (Teil-)Querschnittsverhältnissen u.a. für den MEGA-JUMBO (60k)

Anmerkungen: Querschnittsverhältnis n = A / AS
mit: A Fläche des benetzten Wasserstraßenquerschnitts
AS Fläche des benetzten Hauptspantquerschnitts
Teilquerschnittsverhältnis nT = AT / 0,5 AS
mit: AT Fläche des benetzten Wasserstraßen-Teilquerschnitts von Kursachse bis Ufer

Neben den Messungen zur Schiffsdynamik (Squat, Trimm) wurden ebenso die geschwindigkeitsabhängigen Wasserspiegelauslenkungen im Querprofil ausgewertet und analysiert. Dazu werden ausgewählte Ergebnisse dargestellt und bewertet.

Ausgewählte Ergebnisse – Squat und Trimm

Am Beispiel der Messergebnisse für den MEGA-JUMBO werden folgende Zusammenhänge aufgezeigt:

  • Geringere Querschnittsverhältnisse von eingetauchtem Hauptspantquerschnitt zum Wasserstraßenquerschnitt führen zu größeren geschwindigkeitsabhängigen Squatwerten (Bild 2).
  • Verschiedene Fahrwasserverhältnisse in Form und seitlicher Begrenzung ausge-hend von seitlich unbegrenztem Fahrwasser bis engen hin zur Fahrrinne im Flachwassern führen zu einer deutlichen Zunahme des Squats (Bild 3).
Bild 2: Einfluss der Querschnittsverhältnisse auf das geschwindigkeitsabhängige Squat-Verhalten bei Revierfahrt (MEGA-JUMBO) (60k)
Bild 3: Einfluss der Fahrwasserquerschnitte auf das geschwindigkeitsabhängige Squat-Verhalten bei Revierfahrt (MEGA-JUMBO) (160k)

Die Ergebnisse der umfangreichen Untersuchungen zeigen, dass gerade auf längeren Revieren zu großen Seehäfen wie z.B. der Tideelbe, der Tideweser oder der Schelde zum Hafen Antwerpen sowohl die Fahrrinnentiefe als auch die Fahrwasserbreite (der Wasserstraßenquerschnitt) in die Vorausberechnung des geschwindigkeit- und fahrzeugabhängigen maximalen Squat einbezogen werden muss, um die Leichtigkeit und Sicherheit des Schiffsverkehrs zu den Seehäfen von Seiten der WSV zu gewährleisten.

Ausgewählte Ergebnisse – Schiffserzeugte Belastung

Die gleichzeitig mit der Schiffsdynamik gemessenen geschwindigkeitsabhängigen, schiffser-zeugten Wasserspiegeländerungen (Absunk zA, Primärwelle HP und Sekundärwelle HS) und dessen querschnittsabhängige Verteilung im Fahrwasser wurden beispielhaft für den Absunk zA in den Bildern 4 und 5 dargestellt:

  • Eine mittige Fahrt bewirkt eine symmetrische Verteilung und Abnahme des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im Fahrwasserquerschnitt (Bild 4, mittige Fahrt, links).
  • Bei geringer UKC bestimmt das Teilquerschnittsverhältnis die Abnahme des Absunks bis hin zum Ufer (Bild 4, außermittige Fahrt, rechts).
  • Die Abnahme des Absunks im Fahrwasserquerschnitt in Abhängigkeit des Passierabstands zum Ufer wird anhand des Vergleichs beider Grafiken in Bild 4 deutlich: Am rechten Ufer ist die Absunkbelastung aufgrund ähnlicher Teilquerschnittsverhältnisse annähernd gleich, am linken Ufer führt der größere Passierabstand des fahrenden Schiffs zu eine deutlich geringeren Belastung am Böschungsfuß.
Bild 4: Darstellung der Verteilung des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im Fahrwasser-querschnitt für die Querschnittsverhältnisse n = 21 und nT = 36 / 23 (JUMBO) (90k)
  • Bei sehr engen Querschnittsverhältnissen können schon deutlich geringere Schiffsgeschwindigkeiten (hier vS,MAX = 13,1 kn) hohe Belastungen am Ufer bewirken (Bild 5, mittige Fahrt in Fahrrinne bei asymmetrischem Fahrwasser).
Bild 5: Darstellung der Verteilung des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im kombinierten Fahrwasserquerschnitt (mit Transportkörpern in der Fahrrinne) für das Teilquerschnittsver-hältnis nT = 10/5 (MEGA-JUMBO) (75k)

Eine weitergehende Analyse der langperiodischen schiffserzeugten Belastungen am jeweiligen Böschungsfuß in Abhängigkeit der Teilquerschnitte (hier: Absunk zA) fasst die Ergebnisse der umfangreichen Systemversuche der BAW in Bild 6 für das JUMBO-Containerschiff (PPM40) zusammen. Die Grafik zeigt die Abnahmefunktionen des Absunks zA in Abhängigkeit des Teilquerschnittverhältnisses nT für verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten eines PPM40-Containerschiffs.

Bild 6: : Abnahmefunktionen des Absunks zA in Abhängigkeit des Teilquerschnittverhältnisses nT für verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten eines PPM40-Containerschiffs (90k)

Zum Beispiel kann anhand der Abnahmefunktion für eine Schiffsgeschwindigkeit des PM40 von etwa vS ≈ 13,5 kn (Bild 6, rote Kurve) abgeleitet werden, dass für Teilquerschnittsver-hältnisse zwischen 10 < nT < 23 eine Belastungsabnahme etwa mit einem Faktor F ≈ 5 zu erwarten ist.

Des Weiteren wird anhand der geschwindigkeitsabhängigen Trendlinien deutlich erkennbar, dass kein linearer Zusammenhang von langperiodischer, schiffserzeugter Belastung und Teilquerschnittsverhältnis besteht.

Schlussfolgerungen

  • Bei der Bemessung einer Fahrrinnentiefe ist hinsichtlich der Größe des Squats nicht nur die Kielfreiheit UKCR sondern auch das Querschnittsverhältnis n von eingetauchtem Hauptspantquerschnitt AS zum Fahrwasserquerschnitt A zu berücksichtigen (S = f (n, UKCR, vS, ...) mit n = AS / A).
  • Eine außermittige Fahrt bewirkt nur geringe bis sehr geringe Zunahmen des Squat beim Vergleich mit mittiger Fahrt (S ≠ f (L, ...) ).
  • Es ist kein wirksamer Einfluss von Böschungsform oder Vorlandbereich auf den Squat bei gleichem Fahrwasserquerschnitt festgestellt worden (S ≠ f (1:m, …) ).
  • Bei geringer UKCR bestimmt das Teilquerschnittsverhältnis nT von Schiff AS/2 und Wasserstraße AT in Abhängigkeit des Passierabstands L zum Ufer das geschwindigkeitsabhängige Maß der schiffserzeugten langperiodischen Wellen- und Strömungsbelastung (z.B.: Absunk zA = f (nT, vS, …) mit nT = 0,5 AT / AS bei AT = f (L, ...) ).

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