Systematische Untersuchungen zur Erfassung von geschwindigkeitsabhängigen Querkräften und Giermomenten infolge des Bank-Effekts bei Revierfahrt
Aus BAWiki
Autor: K. Uliczka
Randbedingungen
Die Modellversuche zur Erfassung der geschwindigkeitsabhängigen Querkräfte und Giermomente, die infolge der BERNOULI-Strömungseffekte (nautisch auch: Bank-Effekt) u.a. in Abhängigkeit des Passierabstands zur Uferböschung auf ein Schiff wirken, wurden im Flachwasserbecken der BAW-DH (Länge ca. 100 m, Breite ca. 35 m, max. Wassertiefe 0,7 m) im Modellmaßstab 1:40 nach den FROUDEschen Modellgesetzen vorgenommen. Die Ergebnisse der Versuche im hydraulischen Modell wurden entsprechend transformiert und in Naturgrößen angegeben.
Dazu war es erforderlich, zusätzlich zu den zu untersuchenden schematischen Uferbö-schungen ein entsprechendes Führungssystem (Schienensystem mit dreieckigem Führungsarm) zu installieren, über das das Modellschiff geführt und gegen dies die auftretenden Kräfte und Momente auf das Schiff redundant gemessen werden konnten. Eine Fotographie der installierten Anlage mit schematischer Darstellung der wirkenden Kräfte und Momente, die aufgezeichnet wurden, ist in Bild 1 dargestellt.
Die Modellschiffe fuhren als funkferngeschaltete, hart getrimmte Selbstfahrer (Propellerantrieb), deren seitlicher Freiheitsgrade (Querkraft, Giermoment) durch den Führungsarm eingeschränkt, dessen vertikale Bewegungen (Squat und Trimm) aber ermöglicht wurden. Die Reibung des Führungsschlittens am Schienensystem wurde durch einen eigenen Antrieb mittels Luftpropeller kompensiert.
Die vereinfachte schematische Darstellung des Führungs- und Messsystems sowie der Messkonfiguration zeigt die Grafik in Bild 2. Zur Erfassung der Querkräfte und Giermomente war eine 6-Komponentenwaage am Fußpunkt des Biegestabs im Schiff installiert. Mittels redundant installierter Kraftmesssensoren im Schiffskörper sowie am Führungsschlitten wurden die Ergebnisse der zentralen Waage zusätzlich gemessen und überprüft.
Die untersuchten Schiffseinheiten mit ihren Abmessungen, dem Blockkoeffizienten und den gefahrenen Wassertiefen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Kielfreiheit im Ruhezustand UKCR war zu 10 %, 15 % und 20 % des Tiefgangs festgelegt (1,1 < h/t < 1,2).
Bezeichnung Breite b [m] Länge lpp [m] Tiefgang t [m] Blockkoeffizient cB [-] Wassertiefen h [m] UKCR f(t) [%] PPM55 55,0 360 14,5 0,689 16,0/16,7/17,4 10/15/20 PM32 32,2 280 11,9 0,671 13,1/13,7/14,3 MG32 32,2 225 11,9 0,845 13,1/13,7/14,3 Tabelle 1: Untersuchte Schiffseinheiten und Parameter
Die verschiedenen untersuchten Böschungsneigungen von 1:6, 1:10 und 1:15 inkl. der senkrechten Wand sowie der Passierabstände der Modellschiffe sind schematisch in Bild 3 zusammengestellt (unmaßstäblich).
Die Kursabstände von der Schiffsachse zum jeweiligen Böschungsfuß KBF bzw. zur senk-rechten Wand KW sowie der Umfang der untersuchten Teilquerschnittsverhältnisse nT sind in Tabelle 2 angegeben.
Bezeichnung Böschung 1:6 Kursabstand KBF [m] Böschung 1:10 Kursabstand KBF [m] Böschung 1:15 Kursabstand KBF [m] Wand Kursabstand KW [m] nT = AT / 0,5 AS [-] PPM55 27,5/82/128 32/72/112 32/72/112 139 / 178 3,1 bis 10,8 PM32 4,7 bis 16,7 MG32 4,7 bis 16,7 mit: AT = Benetzter Teilquerschnitt Wasserstraße = f(KBF, KW) , AS = Benetzter Hauptspantquerschnitt Tabelle 2: Untersuchte Kursabstände und Umfang der Teilquerschnittsverhältnisse nT
Anhand einer festgelegten Untersuchungsmatrix ergaben sich 78 Versuchsserien mit insge-samt etwa 7.800 Einzelversuchen, da die jeweiligen Schiffsgeschwindigkeiten zwischen ca. 8 kn < vS < ca. 14 kn doppelt, die aufgrund von Tiefgang und Wasserstraßenquerschnitt möglichen Maximalgeschwindigkeiten zur Absicherung der Ergebnisse je Serie dreifach gefahren wurden.
Ausgewählte Ergebnisse
Aus der Vielzahl der Untersuchungsergebnisse im hydraulischen Modell wurden in den folgenden Grafiken Beispiele für das Giermoment sowie die Querkraft eines PPM-Containerschiffs dargestellt. Abgebildet sind die geschwindigkeitsabhängigen Mittelwerte der gemessenen Zeitreihen über 1,5 Schiffslängen beidseits des festgelegten Messquerschnitts (3 x l) sowie die entsprechenden Standardabweichungen.
In Bild 4 ist das gemessene geschwindigkeitsabhängige Giermoment eines Containerschiffs der Breite von b = 55 m bei der Passage an einer 1:15 geneigten Böschung mit Kursabstand von KS,BF = 112 m bis zum Böschungsfuß und einer Kielfreiheit von UKCR = 15 % des Tiefgangs t = 14,5 m dargestellt. Ab einer Schiffsgeschwindigkeit von etwa vS > 11 kn steigt das Giermoment, das vorher nur gering zunahm, stark überproportional bis auf Werte von etwa 1.000 MNm an (vS ≈ 12,8 kn). Die geschwindigkeitsabhängige Zunahme der Streuung der Werte bis zu ± 67 % des Mittelwerts bei einer Schiffsgeschwindigkeit von vS ≈ 12,8 kn verdeutlicht das hohe Maß an instationären Strömungsverhältnissen zwischen Schiff und Ufer.
Die bei derselben Versuchsserie durch den Bank-Effekt induzierten gemessenen Querkräfte und deren Standardabweichungen sind in Bild 5 aufbereitet. Wie bei der geschwindigkeitsabhängigen Entwicklung des Giermoments steigt bei den oberen aufgeführten Randbedingungen ab einer Schiffsgeschwindigkeit von etwa vS > 11 kn die Querkraft überproportional bis zur maximalen Schiffsgeschwindigkeit von vS ≈ 12,8 kn auf Werte von etwa 4 MN an.
Bei der durch den Bank-Effekt verursachten Querkraft treten bei nahezu allen Schiffsgeschwindigkeiten aufgrund der turbulenten, instationären Strömungsverhältnisse Standardabweichungen in der Größenordnung des Mittelwerts selbst auf.
Schlussfolgerungen
Die vorgestellten Ergebnisse der Modellversuche zur Erfassung der geschwindigkeitsabhängigen Querkräfte und Giermomente infolge der BERNOULI-Strömungseffekte (Bank-Effekte) verdeutlichen den Einfluss der Schiffsgeschwindigkeit ab einer Grenzgeschwindigkeit, ab der ein überproportionaler Anstieg der hydrodynamischen Querkräfte und Giermomente wirksam wird. Die turbulenten, instationären Strömungsverhältnisse zwischen Schiff und Uferböschung führen zu erheblichen Standardabweichungen um die Mittelwerte der Kräfte und Momente, die auf das Schiff wirken.
Die umfangreichen Datensätze aus den hydraulischen Modellversuchen zum Bank-Effekt wurden in eine Datenbank zusammengestellt, um die Ergebnisse als Datenbasis für eine Implementierung zur Optimierung der Schiffsführungssimulation zur Verfügung zu stellen.
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