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

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 < Fr_h < 0,68. Die REYNOLDS-Zahlen wurden ermittelt zu Werten zwischen 3,1 · 10⁶ < Re < 6,2 · 10⁷ (Faktor 10 > Re_KRIT,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 n_T = 10/5, 20/10, 25/10.
• Kombiniertes Profil, außermittige Fahrt, Teilquerschnittsverhältnisse n_T = 25/10, 20/10, 10/5.

Bild 1: Untersuchte Fahrwasserquerschnitte mit (Teil-)Querschnittsverhältnissen u.a. für den MEGA-JUMBO (60k)

Anmerkungen: Querschnittsverhältnis n = A / A_S
mit: A Fläche des benetzten Wasserstraßenquerschnitts
A_S Fläche des benetzten Hauptspantquerschnitts
Teilquerschnittsverhältnis n_T = A_T / 0,5 A_S
mit: A_T 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 z_A, Primärwelle H_P und Sekundärwelle H_S) und dessen querschnittsabhängige Verteilung im Fahrwasser wurden beispielhaft für den Absunk z_A 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 v_S,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 n_T = 10/5 (MEGA-JUMBO) (75k)

Eine weitergehende Analyse der langperiodischen schiffserzeugten Belastungen am jeweiligen Böschungsfuß in Abhängigkeit der Teilquerschnitte (hier: Absunk z_A) 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_A in Abhängigkeit des Teilquerschnittverhältnisses n_T 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 v_S ≈ 13,5 kn (Bild 6, rote Kurve) abgeleitet werden, dass für Teilquerschnittsver-hältnisse zwischen 10 < n_T < 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 UKC_R sondern auch das Querschnittsverhältnis n von eingetauchtem Hauptspantquerschnitt A_S zum Fahrwasserquerschnitt A zu berücksichtigen (S = f (n, UKC_R, v_S, ...) mit n = A_S / 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 UKC_R bestimmt das Teilquerschnittsverhältnis n_T von Schiff A_S/2 und Wasserstraße A_T in Abhängigkeit des Passierabstands L zum Ufer das geschwindigkeitsabhängige Maß der schiffserzeugten langperiodischen Wellen- und Strömungsbelastung (z.B.: Absunk z_A = f (n_T, v_S, …) mit n_T = 0,5 A_T / A_S bei A_T = f (L, ...) ).

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