Schiffsdynamik

Bild 1: Messungen zur Schiffsdynamik großer Fahrzeuge in Seeschifffahrtssraßen

Bild 2: Moderne Messtechnik zur Erfassung der Schiffsdynamik im Modellversuchswesen

Bild 3: Begegnung im Modellversuch

Bild 4: Summenkurve des zusätzlichen Squats bei Schiffsbegegnungen auf einer Seeschifffahrtsstraße

Bild 5: Messungen der Schiffsdynamik auf Revierfahrt Elbe

Der Fachbegriff "Dynamisches Fahrverhalten" wird im folgenden reduziert auf die vertikalen Bewegungen des Schiffs (Squat und Trimm) in Wechselwirkung mit der Schiffsgröße, der Schiffsgeschwindigkeit und den Sohlstrukturen.

Als Squat ist die Absenkung des fahrenden Schiffs mit dem Primär-Wellen-System, das es selbst bei Fahrt erzeugt, definiert. Trimm ist die Verdrehung des Schiffs um die Querachse und wird beeinflusst u.a. von bestimmten Schiffsparametern und der Schiffsgeschwindigkeit.Die Untersuchungen haben das Ziel, der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) für kommende Ausbauplanungen die geschwindigkeits-, wasserstands- und tiefgangsabhängigen Parameter Squat und Trimm zur Festlegung der Fahrrinnentiefen zur Verfügung zu stellen. Die Modelluntersuchungen sind in drei Teilprojekte unterteilt:

• Erfassung von Squat und Trimm sowie schiffserzeugter Druck- und Wellensysteme bei Fahrt über eine feste, ebene Sohle in seitlich unbegrenztem Flachwasser
• Erfassung von Squat und Trimm sowie schiffserzeugter Druck- und Wellensysteme bei Fahrt über eine feste Sohle mit Transportkörpern in seitlich unbegrenztem Flachwasser
• Systematische Untersuchungen zur Erfassung von Squat und Trimm sowie schiffserzeugter Druck- und Wellensysteme bei Fahrt im Revier mit seitlich begrenzter Fahrrinne im Flachwasser.

Ausgewählte Ergebnisse der umfangreichen Versuchsserien werden unter den obigen Ziffern vorgestellt. Einen Eindruck der Versuchseinrichtung und der Größenordnung der Modellschiffe vermittelt Bild 1.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zu 1. und 2. wurden im März 2001 (Uliczka/Flügge, 2001) sowie im September und Dezember 2001 (Flügge/Uliczka, 2001) veröffentlicht. Zu Ziffer 3 erfolgten Veröffentlichungen im Januar 2004 (Uliczka/Kondziella/Flügge, 2004) sowie in 2006 (Uliczka/Kondziella, 2006).

Die Fachaufgabe Wechselwirkung Seeschiff/Seeschifffahrtsstraße (WSS) erforderte auf Grund der Größenentwicklung der Seeschiffe und der daraus notwendigen Befahrbarkeitsanalyse der Tideästuare u.a. fortlaufende Forschungsanstrengungen auf dem Gebiete der Schiffsdynamik bei Revierfahrt mit Blick auf die physikalischen Grundlagen für das „Werkzeug“ Schiffsführungssimulation. Somit wurde dieses Forschungsgebiet neben der „vertikalen“ Schiffsdynamik mit Squat, Trimm (s.o.) durch die Teilprojekte Wechselwirkung Schiff/ Ufer (BERNOULLI-Effekt oder „Bank-Effekt“) sowie Schiff/Schiff ergänzt. In den Teilprojekten werden neben den bisher schon erforderlichen Kenngrößen der schiffserzeugten Wasserspiegelauslenkung und Strömung sowie des geschwindigkeitsabhängigen Squat und Trimm zusätzlich die seitlich auf das Schiff wirkenden geschwindigkeitsabhängigen Kräfte und Momente erfasst.

• Im Teilprojekt „Bank-Effekt“ wurden die Wechselwirkung von Seeschiffen mit verschiedenen Uferböschungen durch die Erfassung der abstands- und neigungsabhängige Querkräfte und Giermomente im physikalischen Modellversuch ermittelt.
• Das derzeit laufende Teilprojekt „Schiff-Schiff-Interaktion“ erarbeitet die geschwindigkeitsabhängigen Querkräfte und Giermomente sowie den dynamischen Squat und Trimm bei den Begegnungen außergewöhnlich großer Containerschiffe in Abhängigkeit des Kursabstands, des Tiefgangs sowie des Wasserstands. Hierbei werden sowohl physikalische Modellversuche (EFD: Experimental Fluid Dynamics) als auch hydrodynamisch-numerische Berechnungen (CFD: Computational Fluid Dynamics) vorgenommen.
• Die jeweils parallel mit zu erfassenden schiffserzeugten Wasserspiegelauslenkungen (Schiffswellen) und Strömungen ermöglichen eine ganzheitliche Betrachtung der physikalischen Prozesse bei der Revierfahrt.

In den Teilprojekten wurde und wird im Wesentlichen die Methode des hydraulischen Maßstabsversuchs nach Stand von Technik und Wissenschaft eingesetzt, um zum einen fahrdynamische Daten für die großen Fahrzeuge zu ermitteln, zum anderen Basisdaten für die Schiffsführungssimulation sowie Validierungsdaten für die Weiterentwicklung hydrodynamisch-numerischer Verfahren bereitzustellen.

Literatur

• Uliczka, K. und Flügge, G., Squat-Untersuchungen für sehr große Postpanmax-Containerschiffe, Tagungsband HTG-Sprechtag des FA Seeschifffahrtsstraßen, Hafen und Schiff, Hamburg, 27. März 2001

• Flügge, G. und Uliczka, K., Dynamisches Fahrverhalten und Wechselwirkungen mit der Fahrrinnensohle von sehr großen Containerschiffen unter extremen Flachwasserbedingungen, Tagungsband HTG-Kongress Häfen & Wasserstraßen, Hamburg, September 2001

• Flügge, G. und Uliczka, K., Dynamisches Fahrverhalten und Wechselwirkungen mit der Fahrrinnensohle von sehr großen Containerschiffen unter extremen Flachwasserbedingungen (mit weiteren Ergebnissen), HANSA 138. Jhrg. Dezember 2001

• Uliczka, K., Kondziella, B. und Flügge, G., Dynamisches Fahrverhalten sehr großer Containerschiffe in seitlich begrenztem extremen Flachwasser, HANSA 141. Jhrg. Januar 2004

• Uliczka, K. und Kondziella, B., Dynamic response of very large containerships in extremly shallow water, Proceedings of the 31st PIANC Congress, Estoril, Spanien, 2006

• Uliczka, K., Seeschiffe auf Seeschifffahrtsstraßen am Beispiel der Unter und Außenelbe. In: Hamburg – die Elbe und das Wasser sowie weitere wasserhistorische Beiträge. Schriften der DWhG Band 13, S. 97-112, Siegburg, 2009

• Uliczka, K. und Kondziella, B., Research on ship dynamics on large containerships in confined fairways. International Conference on Ship Manoeuvring in Shallow and Confined Water – Bank-Effects - Antwerp. In: Conference Proceedings of RINA, Ghent University, FHR, RINA, London, 2009

• Briggs, M. J., Vantorre, M., Uliczka, K. und Debaillon, P., Prediction of Squat for Underkeel Clearance. In: Handbook of Coastal and Ocean Engineering, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., Singapore, 2010

• Uliczka, K., Böttner, C-U. und Carstens, D., Head-on traffic at the approach channel to the Port of Hamburg. 3rd International Conference on Ship Manoeuvring in Shallow and Confined Water – Ships Behaviour in Locks - Ghent. In: Conference Proceedings of RINA, Ghent University, FHR, RINA London, 2013

• Uliczka, K., Wasserbauliche Modellversuche zur Wechselwirkung Seeschiff / Seeschifffahrtsstraße. In: 44. Internationales Wasserbau-Symposium Aachen 2014, RWTH Aachen, IWW, Achen, 2014

• Gourly, T.P., Ha, J.H., Mucha, P. und Uliczka, K., Sinkage and Trim of Modern Container Ships in Shallow Water. In: Proceedings, Australasian Coasts & Ports Conference 2015, Auckland, New Zealand, 2015

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