Quelltext der Seite Dynamisches Fahrverhalten sehr großer Containerschiffe bei Fahrt über Transportkörperstrecken

[[en:Dynamic response of very large containerships passing fairways with dunes]]

Autor: [mailto:klemens.uliczka@baw.de K. Uliczka]

__TOC__

===Randbedingungen===

Die Untersuchungen zum fahrdynamischen Verhalten sehr großer POST-PANMAX-Containerschiffe in Wechselwirkung zu verschiedenen Transportkörpersohlen 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 vorgenommen. Ausgewählte Schiffsparameter sind in folgender Tabelle zusammengestellt:

{| align="center" border="1"
|Bezeichnung
|Länge
|Breite
|[[Tiefgang]]
|UKCR*
|cB-Wert** 
|SG+ 
|Gewichtstrimm
|KG++
|-
|align="center"|-
|align="center"|m
|align="center"|m
|align="center"|m
|align="center"|m
|align="center"|- 
|align="center"|- 
|align="center"|-
|align="center"|m 
|-
|align="center"|JUMBO
|align="center"|320
|align="center"|40
|align="center"|14,5
|align="center"|1-2
|align="center"|0,740
|align="center"|6,29
|align="center"|Hart
|align="center"|11,8
|-
|align="center"|MEGA-JUMBO
|align="center"|360
|align="center"|55
|align="center"|15,5
|align="center"|1-1,5-2
|align="center"|0,677
|align="center"|6,10
|align="center"|Hart
|align="center"|10,2
|-
|}

''UKCR: Under-[[Keel-Clearance]] / cB: Blockkoeffizient / SG: Schlankheitsgrad / KG: Gewichtsschwerpunkt über Kiel'' 

Die Tiefen-FROUDE-Zahlen lagen bei 0,27 < Fr<sub>h</sub> < 0,68. Die REYNOLDS-Zahlen wurden ermittelt zu Werten zwischen 3,1 · 10<sup>6</sup> < Re < 6,2 · 10<sup>7</sup> (Faktor 10 > Re<sub>KRIT,erf</sub>).

'''Durch Einhaltung der geometrischen und dynamischen Ähnlichkeitsbedingungen war die Prognosefähigkeit der Untersuchungen sichergestellt.'''

Bild 1 zeigt die Transportkörperstrecke im hydraulischen [[Modell]] zur Simulation des Einflusses von Sohlstrukturen auf die [[Schiffsdynamik]] im extremen Flachwasser (Beispiel: TK-Länge l = 50 m).

[[Bild: squat_TKsohle_b1.jpg|thumb|Bild 1: Transportkörperstrecke im hydraulischen Modell 1:40 ( 60k)]]

Mittels einer Laser-Zielplatten-Messanordnung auf den Modellschiffen war es möglich, das vertikale dynamische Verhalten der funkferngeschalteten (seilgeführten) selbstfahrenden Modelle über eine Strecke von etwa 90 m von der Beschleunigungsphase bis zum Abstoppen zu erfassen. Die interne geschwindigkeitsunabhängige Prognosegenauigkeit des Systems lag unter DS < 1 mm ([[Modell]]; dies entspricht < 4 cm Natur).

Beim punktuell messenden, laser-geometrischen Verfahren nach ERYUZLU et al. (1994) wurden in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit (vS < 18 Kn) Prognosewerte ebenfalls mit einer Genauigkeit von DS < 1 mm ([[Modell]]) errreicht.


===Ergebnisse===

Die Bilder 2 - 4 zeigen die kontinuierliche Aufzeichnung der vertikalen Bewegung von Bug und Heck eines JUMBO bei Fahrt über eine ebene Sohle sowie bei Fahrt über [[Transportkörper]] der Länge von 50 m bzw. 100 m. Ein Vergleich der Bilder veranschaulicht die Zunahme des dynamischen Verhaltens in Abhängigkeit der Transportkörperlänge.

[[Bild: squat_TKsohle_b2a.jpg|thumb|Bild 2: Dynamisches Fahrverhalten eines großen PPM-Containerschiffs bei Fahrt über eine ebene Sohle ( 61k)]]
[[Bild: squat_TKsohle_b2b.jpg|thumb|Bild 3: Dynamisches Fahrverhalten eines großen PPM-Containerschiffs bei Fahrt über eine TK-Sohle (l = 50 m) ( 62k)]]


Bei der Fahrt über die Transportkörperstrecke mit l = 50 m zeigte das Schiff im Verhältnis zur ebenen Sohle ein leicht unruhigeres Fahrverhalten (Bilder 2 und 3). Mit l = 100 m war ein Verhältnis von TK-Länge '''l''' zu Schiffslänge '''l''' von etwa '''l = l / 3''' gewählt, so dass ein Stampfen des großen PPM-Containerschiffs mit der Periode der [[Transportkörper]] angeregt wurde (Bild 4). Der Grund liegt in einem höheren Bugsquat bei geringerer UKC über dem TK-Berg und gleichzeitigem geringeren Hecksquat bei lokal größerer [[Wassertiefe]] im TK-Tal. Die Amplituden erreichten in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit im Maximum Werte bis zu DS = 0,16 m (v<sub>S</sub> = 15,3 Kn).
[[Bild: squat_TKsohle_b2c.jpg|thumb|Bild 4: Dynamisches Fahrverhalten eines großen PPM-Containerschiffs bei Fahrt über eine TK-Sohle (l = 100 m) ( 62k)]]

Die systematischen Untersuchungen mit TK-Feldern jeweils gleicher TK-Länge wurden ergänzt durch Fahrten über eine TK-Sohle mit unregelmäßigen Längen von l = 50 m - 75 m - 100 m. Das dynamische Fahrverhalten auf einer Fahrstrecke von ca. 1.600 m (ca. 5 Schiffslängen, 25 TK) verdeutlicht Bild 5. Ein leichtes Stampfen des JUMBO wurde infolge der unregelmäßen TK-Abfolge desgleichen in einer Größenordnung von etwa DS = 0,07 m (vS = 16,8 Kn) registriert. Der Absolutwert des [[Squat]] wurde gleichermaßen reduziert wie bei den Versuchen mit konstanter TK-Länge (Bild 6 und 7).

[[Bild: squat_TKsohle_b2ges.png|thumb|Bild 5: Dynamisches Fahrverhalten eines großen PPM-Containerschiffs bei Fahrt über eine unregelmäßige TK-Sohle (l = 50 m - 75 m - 100 m) ( 21k)]]

Bild 6 zeigt den Vergleich des geschwindigkeitsabhängigen Squats bei Fahrt des JUMBO über verschiedene Sohlformen (ohne TK, l = 50 m, l = 100m, l = 50 m - 75 m - 100 m). Die Ergebnisse des punktuellen Messverfahrens zeigen eine deutliche Abnahme des Squats bei der Fahrt über eine TK-Strecke, was sich besonders klar bei einer Kielfreiheit von UKC<sub>R</sub> = 2 m mit einer Größenordnung bis zu DS = 0,3 m (v<sub>S</sub> = 15 Kn) ergab.

[[Bild: squat_TKsohle_b3.png|thumb|Bild 6: Einfluss der Sohlformen auf Squat und Trimm großer PPM-Containerschiffe (JUMBO) bei UKCR = 2 m ( 18k)]]

Wie beim JUMBO wird auch beim MEGA-JUMBO (Bild 7) der reduzierte, geschwindigkeitsabhängige [[Squat]] bei Fahrt über TK-Strecken deutlich (UKC<sub>R</sub> = 1,5 m). Anders als beim JUMBO überwiegt beim MEGA-JUMBO unter extremen Flachwasserbedingungen der Hecksquat gegenüber dem Bugsquat, so dass sich ein negativer Trimmwinkel ergibt. Diese dynamische Verhalten ist auf das Zusammenwirken der großen Schiffsbreite (b = 55 m) mit dem Ein-Schrauben-Antrieb bei extremen Flachwasser (ausgeprägtes Druckminimum durch Schraubensog am Heck) zurückzuführen.

[[Bild: squat_TKsohle_b4.png|thumb|Bild 7: Einfluss der Sohlformen auf Squat und Trimm großer PPM-Containerschiffe (MEGA-JUMBO) bei UKCR = 1,5 m ( 18k)]]


===Bewertung der Ergebnisse===

Die bisher vorliegenden Ergebnisse der Grundsatzuntersuchungen zeigen, dass die Berechnungsformeln nach BARRASS und ICORELS auch in modifizierter Form für sehr große PPM-Containerschiffe in seitlich unbegrenztem Flachwasser ungeeignet sind, wie Bild 8 verdeutlicht. In den Formeln sind die Querschnittsgeometrien in ihrer hydraulischen Wechselwirkung mit dem fahrenden Schiff nicht in allgemeingültiger Parametrisierung enthalten.

[[Bild: squat_TKsohle_b5.jpg|thumb|Bild 8: Vergleich analytischer und empirischer Ansätze zum Squat mit Ergebnissen aus dem hydraulischen Modell - großes PPM-Containerschiff (JUMBO) bei Fahrt über Transportkörper ( 62k)]]


Für die Diskussion und die Erklärung der gemessenen sehr geringen Squatwerte sind folgende hydromechanische Prozesse ausschlaggebend:

* Der [[Squat]] ist die Absenkung des fahrenden Schiffs mit dem sich ausbildenden [[Primärwellensystem]], was zugleich eine kennzeichnende Größe des Schiffswiderstandes ist; durch Breiten- und Längenentwicklung sowie die strömungstechnische Optimierung der modernen Schiffsrümpfe haben sich die geometrischen Bedingungen für die Ausbildung des Primärwellensystems verändert, die Absunkwerte und folglich der [[Squat]] - bezogen auf die Schiffsgröße - wurden geringer.

* Die Wirkung von Sohlstrukturen ([[Transportkörper]]) auf das dynamische Fahrverhalten sehr großer Containerschiffe unter extremen Flachwasserbedingungen war bisher nicht erforscht. Aus Gründen der nautischen [[Sicherheit]] wurde bislang die [[Solltiefe]] auf die Kuppen der [[Transportkörper]] bezogen. Es wurde von einer erhöhten Formrauheit des Systems, damit einer höheren Energiedissipation für die schiffserzeugte [[Rückströmung]] ausgegangen mit der Folge eines stärkeren Primärwellensystems, das wiederum den [[Squat]] erhöht.

* Die systematischen Modellversuche zeigen jedoch, dass im Vergleich zur ebenen Sohle über einer TK-Sohle mit derart geringen Neigungen (H = 4 m; l = 50 - 100 m) ein vergrößerter Rückstromquerschnitt mit entsprechend verminderter Energiedissipation wirksam ist, der wiederum zu einer Abschwächung des Primärwellensystems und damit zu einer Verminderung des Squats führt.

* Die ergänzenden Untersuchungen zum Einfluß einer unregelmäßigen TK-Strecke auf das dynamische Fahrverhalten verdeutlichen, dass auch hier ein - aber geringeres - "Stampfen" für alle untersuchten Schiffseinheiten festzustellen war und der Absolutwert des [[Squat]] in der gleichen Weise wie bei den vorherigen TK-Sohlen abgemindert werden kann.
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