Hydrodynamisch-numerische Methoden

Bild 1: Berechnete Wasserspiegelauslenkung für ein PANMAX Containerschiff

Auf der Basis der heute zur Verfügung stehenden Rechner-Hardware sowie bearbeiteter Formen der BOUSSINESQ-Gleichungen (NWOGU, 1993) war es möglich, u.a. Schiffswellen in tiefen- und seitenbegrenztem Wasser einschließlich der Wellenausbreitungsprozesse Refraktion, Shoaling, Diffraktion und Reflexion, jüngst auch Strömungsrefraktion sowie Squat und Trimm - vorerst bei unterkritischer Fahrt - zu simulieren. Erste umfangreiche Berechnungen mit dem Programm WAKE2D des National Research Council of Canada - Canadian Hydraulic Center (NRC-CHC, 1997)2 wurden im Auftrag der BAW-AK im Rahmen der Untersuchungen an der Unterelbe vorgenommen. Bei den Rechenergebnissen mit WAKE2D ist u.a. eine starke Überschätzung der kurzperiodischen Wellen gegenüber den gemessenen Werten aus dem hydraulischen Modell festzustellen.

Graphik: Berechnete Wasserspiegelauslenkung für ein PANMAX Containerschiff ( 87k)

Andere theoretisch-numerische Verfahren zur Schiffsumströmung, wie z.B. FANKAN (Fluid-Automaten-Netz für Kanäle für völlige Schiffe; PAGEL / FÜHRER, 1989)3 , sind nicht entsprechend entwickelt, die hydrodynamisch optimierte Form von Seeschiffen (u.a. Wulstbug) hinreichend genau zu diskretisieren und verfälschen damit die dynamische Belastung von Seeschifffahrtsstraßen.

Erste Proberechnungen mit einem weiteren Modell namens SHALLOWTANK (CHEN, 1998)4 (CHEN / ULICZKA, 1999)5 zeigen qualitativ und - bedingt - quantitativ gute Übereinstimmungen mit den Meßergebnissen von Versuchsfahrten im hydraulischen Modell der BAW-AK. Das Berechnungsverfahren SHALLOWTANK wurde auch schon für die Berechnung schiffserzeugter Belastung bei transkritischen und überkritischen Schiffsgeschwindigkeiten (CHEN, 1997)6 eingesetzt. Nach weiteren erforderlichen Verifikationsrechnungen sowie nach der Vorlage eines Validierungsdokuments wäre in Zukunft eine rechnerische Bearbeitung von Fragestellungen zur schiffserzeugten Belastung inhomogener Wasserstraßen mit diesem Programm denkbar.

Derzeit ist die numerische Bearbeitung (z.B. mit WAKE2D oder SHALLOWTANK) noch als Stand der Forschung, aber nicht als wissenschaftlich unstrittiges Hilfsmittel zur Bearbeitung der Fachaufgabe Wechselwirkung Seeschiff - Seeschifffahrtsstraße einzustufen.

Eine gesicherte, quantitative Prognose schiffserzeugter Belastungen in Seeschifffahrtsstraßen ist gegenwärtig nur auf Basis hydraulischer Modellversuche in einem fachwissenschaftlich abgesicherten Modellmaßstab möglich (Stand der Technik und Wissenschaft).

Einzelnachweise

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2 NRC-CHC, Numerical Model Study of Ship-Induced Waves und Currents in the Elbe Estuary, Controlled Technical Report, HYD.CTR-093 (unveröffentlicht), Ottawa, Canada, 1997

3 PAGEL, W und FÜHRER, M., Umströmungs- und Widerstandsverhalten völliger Schiffe bei Kanalfahrt. Ergebnisse einer diskreten Modellierung und ihrer experimentellen Verifizierung, Mitteilungen der Forschungsanstalt für Schiffahrt, Wasser- und Grundbau, Schriftenreihe Heft 3, Berlin, 1989

4 CHEN.X.-N., Schiffswellenbildung über einer querveränderlichen Topographie, Abstracts - 19. Duisburger Kolloquium Schiffstechnik/ Meerestechnik, Das Schiff für überkritische Fahrt, Duisburg, 1998

5 CHEN,X.-N. und ULICZKA,K., On Ships in Natural Waterways, Proceedings of Int. Conf. on Coastal Ships and Inland Waterways, The Royal Institution of Naval Architects, Feb. 1999, London 1999

6 CHEN,X.-N., Theoretische Grundlagen der Wellenwiderstandseliminierung bei überkritischer Fahrt, besonders durch den Einsatz gekrümmter Katamarane, Proceedings - 18. Duisburger Kolloquium Schiffstechnik / Meerestechnik, Das Schiff in begrenzten Gewässern, Duisburg, 1997