Forschung

SiRiOS
(12/2021 – 05/2024)

Ziel des Vorhabens ist die Berücksichtigung nicht nur des Designzustandes, wie gegenwärtig praktiziert, sondern auch der Off-Design-Zuständen, wie sie insbesondere im Seegang und beim Manövrieren auftreten, beim Entwurf sowie der hydrodynamischen Auslegung der Propulsions- und Manövrierorgane. Damit verbunden ist auch eine realistischere Off-Design Leistungsabschätzung.

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Titel: Schiffe in Randmeeren in Off-Design Situationen – SiRiOS
Laufzeit: 12/2021 – 05/2024
Projektmanager: Kay Domke
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm GmbH
Reg.-Nr.: 49MF210150

In diesem Zusammenhang soll die Erfassung der Widerstands- und Propulsionskennwerte sowie der Ruderkräfte von Glattwasserbedingungen auf die Betrachtung beim Manövrieren und im Seegang ausgedehnt werden. Dabei soll der Umfang an Messdaten erhöht werden, bei gleichzeitiger Verringerung der Seegangsmodellgröße. Um den Anforderungen dieser Versuche gerecht zu werden, müssen die Einflüsse von Maßstab und Reynoldszahl berücksichtigt werden. Anhand dessen werden dann die Grenzen der Versuchsparameter definiert.
Dazu werden umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen an einem Großmodell (Modellmaßstab für Widerstands- und Propulsionsversuche) und einem Seegangsmodell zur Prüfung der Skalierungsgesetze und zur Validierung durchgeführt. Gerade für Seegangsversuche muss untersucht werden, wie sich die Maximierung des Maßstabs und der Messwerterfassung gegenseitig beeinflussen, um weiterhin eine realistische Leistungsabschätzung liefern und das Schiffsverhalten im Seegang untersuchen zu können. Das Spektrum der Manövrier- und Seegangsversuche soll mit einem einfachen Simulationstool (Programmodule aus „Uthlande“) möglichst komplett abgebildet werden.
Dabei erfordert die Integration unterschiedlicher Messkonzepte der verschiedenen Versuchsarten in ein Modell die Etablierung zeitgemäßer Entwurfsverfahren mit CAD Baugruppen und Optimierung der Einzelkomponenten mit FEM.
Für eine effiziente Versuchsvorbereitung (Ein-/Aus- und Umbau) ist die Standardisierung eines Versuchsaufbaus zu optimieren, u.a. durch Verwendung mechanischer Spezialeinbauten wie Trimmtraversen. Zur Unterstützung wird eine ‚Motion Compensation Plattform‘ zu einer Trägheitswaage modifiziert, die zur Überprüfung und Feststellung von Schiffsschwerpunkten schon im nicht schwimmenden Vorbereitungsprozess dient, um das Eintrimmen der metazentrischen Höhe effizienter vorzubereiten und so den Eintrimmvorgang zeitlich effektiver zu gestalten.
Ein wichtiges Ziel ist die Etablierung einer Versuchstechnologie zur Messung umfangreicher Daten während der gesamten Messzeit.
Als Ergebnis sind Richtlinien zu entwickeln, bis zu welcher Modellgröße herunter skaliert werden kann, um ein großes Spektrum an Versuchen zu ermöglichen. Die Möglichkeit, in Standardversuchen weitere Messgrößen zur Verfügung zu stellen, ist zu validieren und zu kommunizieren.

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Treideln
(11/2021 – 04/2024)

Ziel dieses Forschungsthemas ist es, ein Konzept zur verstärkten Nutzung der Binnenwasserstraßen durch den Binnengüterverkehr zu erarbeiten. Dabei geht es um die Bereitstellung einer modernen Fassung eines alten Transportsystems, des Treidelns, unter Berücksichtigung moderner Antriebs- und Steuerungstechnik. Dies wird ermöglicht durch moderne Traktorsysteme, d.h. autonom operierenden Lafetten oder Traktoren auf einem leitplankenähnlichen Schienensystem. Der wesentliche Vorteil besteht in der Möglichkeit, diese Traktoren über das Schienensystem mit der nötigen Energie zu versorgen. Hierbei soll ein wichtiger Beitrag für eine Dekarbonisierung des

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Titel: Emissionsfreies autonomes Treidelsystem
Laufzeit: 11/2021 – 04/2024
Projektmanager: Martin Börner
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm GmbH
Reg.-Nr.: 49VF210028

Eine angedachte Variante sieht die Nutzung autonom agierender „Traktoren“ in einem Netzwerk vor, die unter Koppelung der jeweiligen Steuerung und unter Verwendung von logischen Algorithmen zur Entscheidungsfindung agieren. Eine weitere anvisierte Variante betrachtet das sich selbst „verholende Schiff“ durch am Schiff fest montierte Verholeinrichtungen.
Der technische Lösungsansatz besteht in der Identifikation der systembasierten Schwachstellen eines Treidelsystems. Hierbei liegt der Fokus auf der Ermittlung der hydrodynamischen und technischen Randbedingungen.
Ziel ist es, durch gezielte CFD-Berechnungen (im Modellversuch nicht durchführbare Szenarien) erste Indikationen der zu erwartenden Kräfte und hydrodynamischen Systemeigenschaften zu erarbeiten. Dabei geht es u.a. um das Fahrverhalten und die Schleppleistung speziell für Kurvenfahrten sowie die Kräfte für das Fahren in begrenztem Fahrwasser bei unterschiedlichen Kanalquerschnitten sowie Abständen zum Ufer. Anhand von Modellversuchen mit einem Modell in einem maßstabsgetreuen Kanalnachbau sollen die Simulationsergebnisse validiert, ergänzt und durch abgestimmte Versuchsserien Lösungsansätze erarbeitet werden. Auf Basis der erzielten Ergebnisse im FuE-Projekt A-Swarm (03SX485A) werden Manövrier-/Antriebsorgane entworfen und dimensioniert. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung eines Kopplungssystems, das entsprechende Kriterien wie Zuverlässigkeit, Sicherheit, Redundanz, Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit erfüllt. Auf Basis der Ergebnisse sollen Prinziplösungen bezüglich auftretender Probleme wie Begegnungen, Überholen, Einmündungen und das allgemeine Auftreten von Hindernissen und Unwägbarkeiten diskutiert und skizziert werden. Es soll ein mögliches Energiekonzept mit Fokus auf eine technische Realisierbarkeit hin entwickelt werden. Zudem ist ein bordinternes Energiekonzept zu konzipieren bzw. bestehende Lösungsansätze so in das Gesamtsystem zu integrieren, dass ein autonomes, redundantes, von Landstrom zeitweise unabhängiges System realisiert werden kann.
Im Ergebnis sollen Gesamtsysteme, bestehend aus Schiff, landseitiger Infrastruktur und Schleppsystem skizziert werden, welche den Anforderungen an ein autonomes Treidelsystem entsprechen und möglichst wirtschaftlich, klimaneutral und sicher sind.

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DigitalSOW
(06/2021 – 12/2023)

Mit dem Vorhaben soll gezeigt werden, dass autonome Binnenschifffahrt möglich und durch autonome Fahrzeuge der Binnenschiffsverkehr auch mit kleineren Einheiten wirtschaftlich sinnvoll ist. Das Vorhabensziel ist die Bereitstellung einer definierten Testfeldumgebung (Abschnitte der Spree-Oder-Wasserstraße (SOW)) für die Forschung an autonomen und vernetzten Wasserfahrzeugen, insbesondere in Hinblick auf eine neue Art der Citylogistik, basierend auf autonom operierenden und elektrisch betriebenen Wasserfahrzeugen.

Titel: DigitalSOW – Digitales Testfeld für automatisierten und autonomen Betrieb auf der Spree-Oder-Wasserstraße
SVA: Versuchsträger für Citylogistik und autonomes Fahren
Laufzeit: 06/2021 – 12/2023
Projektmanager: Dr. C. Masilge
Förderung: Bundesministerium für Verkehr
Projektträger: Bundesanstalt für Verwaltungsdienstleistungen
Partner Uni Rostock, TU Berlin, VBW, DLR, Alberding GmbH
Reg.-Nr.: 45DTWV002F

Das Ziel dieses Teilvorhabens ist der Entwurf, der Bau und die Bereitstellung von zwei Versuchsträgern, die zum einen der Erprobung der Testfeldumgebung dienen sollen und zum anderen als Plattformen für Drittprojekte dienen sollen. Die Versuchsträger sind modular aufgebaut und können sowohl im Zweierverbund agieren als auch zu größeren Einheiten zusammengekoppelt und wieder entkoppelt werden. Mit den Versuchsträgern wird eine Entwicklungsumgebung geschaffen, die vielseitig für die Entwicklung der für den Autonomiebetrieb erforderlichen Sensorik, Regelungs- und Antriebstechnik eingesetzt werden wird. Besonderes Augenmerk wird hierbei einerseits auf einen möglichst emissionsarmen Antrieb gelegt, andererseits auf eine hohe Kompatibilität mit anderen Forschungsvorhaben auf diesem Gebiet, um hohe Synergieeffekte zu erzielen.
Die zu entwickelnden Versuchsträger sollen einerseits das modulare Konzept der bekannten und in der Region eingeführten Schubverbandstechnik aufnehmen und groß genug sein, um Logistikketten demonstrieren zu können, andererseits sollen Sie nicht die Größe von Kleinfahrzeugen nach der Binnenschifffahrtsuntersuchungsordnung (L < 20 m) überschreiten, um keine langwierigen europäischen Genehmigungsverfahren durchführen zu müssen. Geplant sind zwei koppelbare Einheiten, die zusammen eine Länge von ca. 14.5 m aufweisen und, wenn diese mit den Fahrzeugen aus dem Vorhaben A-SWARM gekoppelt fahren, 19.5 m lang sind.

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ProCup2
(01/2021 – 06/2023)

Im FuE Projekt „Propeller Cupping“ wurde durch die Entwicklung der neuen parametrischen SVA-Profilfamilie der Grundstein für eine standardisierte Verwendung von Cup-Profilen im Propel-lerentwurf gelegt, indem die Profilfamilie die konventionelle Geometriedefinition um Cup-Profile bis hin zu superkavitierenden Profilen erweitert. Im Vorhaben soll diese SVA-Profilfamilie für die Verwendung zum Propellerentwurf für schnelle Schiffe mit großer Wellenneigung nutzbar gemacht werden und Propeller mit Cup kritisch analy-siert werden, um Möglichkeiten zur Verbesserung des Kavitations-, Erosions- und Betriebsverhal-tens zu finden. Dabei müssen wesentliche Parameter sowie

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Titel: Propeller-Designverfahren für niedrige Kavitationszahlen
Laufzeit: 01/2021 – 06/2023
Projektmanager: Simon Froitzheim
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm GmbH
Reg.-Nr.: 49MF200132

Die Profilfamilie muss in den Optimierungsprozess von Propellerentwurfsprogrammen (Lifting Surface Verfahren VORTEX, Optimierer VTXopt) integriert werden können. Dabei liegt der Fokus auf der Vermeidung der Eintrittskantenschichtkavitation. Die Profiluntersuchungen sollen sowohl auf Basis einer auszuwählenden Berechnungsmethode für dicke Profile (z. B. XFOIL) als auch auf Basis von CFD Berechnungen erfolgen. Anhand der Berechnungen wird die Berechnungsmethode für dicke Profile zur Implementierung in VTXopt validiert und optimiert. Darüber hinaus werden die Berechnungen mittels experimenteller Untersuchungen validiert.
Neben der bloßen Eignung von Propellern mit Cup für moderne schnelle Schiffe liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Einfluss der Flügelzahl, sowie der Art und Weise einer Skalierung in die Großausführung. Die Notwendigkeit einer eigenen Reibungslinie/ Korrekturmethode für Cup-Propeller muss bewertet und falls notwendig ausgearbeitet werden.

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DEffProForm
(12/2020 – 06/23)

Im Rahmen des Forschungsprojekts werden umfangreiche Erfahrungen in Entwurf und Analyse moderner Schiffspropulsionsorgane und -antriebsanlagen gebündelt, um unkonventionelle Propellerformen weiterzuentwickeln, die von herkömmlichen Geometrievarianten erheblich abweichen. Sie bieten dem Propellerentwerfer zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten und haben das Ziel, verbesserte hydrodynamische Kennwerte in Hinblick auf Wirkungsgrad und Lärmemission zu erreichen.

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Titel: Design von effizienten Schiffspropellern mit unkonventi-oneller Formgebung
SVA: Entwurf unkonventioneller Propeller
Laufzeit: 12/2020 – 06/2023
Projektmanager: Katrin Hellwig-Rieck
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner MMG, TUHH, Friendship Systems AG, HSVA, Uni Ros-tock, ISA Propulsion GmbH & Co. K
Reg.-Nr.: 03SX516E

Ziel des Teilvorhabens EukonPro der SVA Potsdam ist die Entwicklung von Entwurfsstrategien für unkonventionelle Propeller. Basierend auf den Arbeiten der SVA mit der Software PanMare sollen eine komplette Entwurfskette entwickelt und gleichzeitig in Zusammenarbeit mit der TUHH die Methoden von PanMare und des HYKOPS-Moduls weiterentwickelt werden.
Gegenüber bisherigen unkonventionellen Entwürfen stehen den Propellerentwerfern der SVA durch das in HYKOPS entwickelte Modul weitere Freiheitsgrade in der Anordnung der Profile im Raum zur Verfügung. Dies ermöglicht neue Entwurfsstrategien, die es zu entdecken und bewerten gilt. Die SVA Potsdam unterstützt die Entwicklungsarbeiten mit der Durchführung von Modellversu-chen und numerischen Simulationen. Die Bewertung der Effizienz mehrerer unkonventioneller Propellerentwürfe der Forschungspartner erfolgt am Modell eines Zweischraubers. Da erwartungsgemäß die für konventionelle Propeller entwickelten Umrechnungsverfahren der Propellerkennwerte vom Modell auf die Großausführung nicht ohne weiteres auf unkonventionelle Propeller anwendbar sind, werden auch numerische Untersuchungen zu Maßstabseffekten und laminar-turbulenter Transition an unkonventionellen Propellergeometrien durchgeführt. Zur Unterstützung bei der Analyse von Großausführungsmessungen der Geschwindigkeit vor und hinter dem Propeller erfolgen numerische Berechnungen
In dem laufenden Projekt sollen für unkonventionelle Propellerformen verschiedene numerische Methoden zur Vorhersage angewandt und hinsichtlich ihrer Effizienz und Analysegenauigkeit evaluiert werden, um sie weiterzuentwickeln. Neben dem Erkenntnisgewinn bei der Anwendung numerischer Methoden sichert die experimentelle Untersuchung ausgewählter Propellergeometrien die Aussagefähigkeit der numerischen Berechnungen ab. Aufgrund der Betrachtung von Propellergeometrien im Grenzbereich der technischen Möglichkeiten ist der Rückschluss zulässig, dass Entwürfe mit gängigeren Formen ebenfalls mit den neuen Entwurfsstrategien bearbeitet werden können.

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AUTOPLAN
(10/2019 – 09/2022)

Das Vorhaben dient dem sicheren und umweltfreundlichen Betrieb von (Halb-)Gleitern. Die Frage der Sicherheit wird durch das sporadische Auftreten instabilen Verhaltens bestimmt: das sogenannte Porpoising (Nick bzw. Trimmbewegung) und das Korkenzieherverhalten mit Rollbewegungen. Diese Erscheinungen beeinträchtigen wesentlich die Sicherheit von Mensch und Schiff und bedeuten nicht zuletzt eine Gefährdung der Einsatzziele auch durch Zeitverzögerung und zusätzlichen Kraftstoffverbrauch.

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Titel: Automatic Navigation Assistance System for Planing and Semi-planing Crafts
SVA: Evaluierung von Schubmessungen an Gleitbooten
Laufzeit: 06/2020 – 05/2023
Projektmanager: Kay Domke (T. Nietzschmann)
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner Friendship, TU Berlin, Schiffswerft UZMAR (Kocaeli)
Reg.-Nr.: 03SX523B
 

Das Ziel wird in einem ganzheitlichen Ansatz verfolgt:
A. Modellversuche und numerische Berechnungen zum Verständnis des instabilen Verhaltens und seiner Ursachen
B. Strategien zur Formoptimierung mit dem Ziel der Minimierung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens instabilen Verhaltens
C. Vor allem aus A) werden Möglichkeiten und Methoden abgeleitet, um im realen Betrieb Vorhersagen zum instabilen Verhalten treffen zu können, und dieses durch Änderungen am Fahrtregime zu vermeiden
Neben umfangreichen Modellversuchen mit neuartigen Messaufgaben dienen numerische Berechnungen zur Erkenntnisgewinnung und zur Anpassung von Optimierungsstrategien. Anhand von Großausführungsmessungen werden die Modellversuche und Berechnungen validiert. Als Kernpunkt stehen hier die Novität der Schubmessungen am Schiffspropeller in der Großausführung und der prognostische Eingriff ins Fahrtregime, basierend auf Messungen der Betriebszustände.
Die Ziele im Teilvorhaben der SVA Potsdam sind:
• Entwicklung, Konstruktion und Bau von Ruderkraftmesswaagen für kleine Modelle:
• Integration einer Modellversuchseinrichtung für Propulsionsversuche mit freien Rollbewe-gungen
• Entwurf einer Propellergeometrie für den (Halb-)Gleiter sowie Bau der Schiffsmodelle und der Propellermodelle.
• Entwicklung und Bereitstellung eines Messsystems zur Erfassung der instationären Druck-verteilung am Schiffsboden von Modell und Großausführung. Vor allem im Sinne der Vali-dierung der Ergebnisse soll die Messkette entsprechend flexibel und als mobiler Messplatz ausgelegt werden.
• Entwicklung, Konstruktion, Bau und Inbetriebnahme eines Messgliedes für die Erfassung des Propellerschub und Drehmoment in der Großausführung. Diese Konstruktion muss an-gepasst an die Bedingungen im Prototypen ausgeführt werden.
• Kavitationsbeobachtungen im Schiffsbetrieb in direkter Kopplung zur Schubmessung.
• Zusammenführung der Messdaten zu Antrieben, Bewegungsverhalten und Druck

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HyDesign

Das Ziel des Verbundvorhabens besteht darin, die tatsächlichen Strömungsverhältnisse im Fluid bei arbeitenden Energy Saving Devices (ESDs) und Propeller im Detail wiederzugeben, so dass die numerischen Verfahren mit für ingenieurstechnische Anwendungen ausreichender Genauigkeit und mit industriell vertretbarem Aufwand eingesetzt werden können. Ausgehend von der Annahme, dass in der unzureichenden Erfassung der Instationarität der Strömung im Heckbereich eines Schiffes die Ursache für die mangelnde Prognosegenauigkeit liegt, sollen experimentelle und numerische Methoden entwickelt werden, die die Erfassung turbulenter Strömungsschwankungen im Bereich der

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Titel: Hybride Simulationsverfahren im Entwurfsprozess von Energy Saving Devices und Propellern
SVA: HyPErLoads – Hydrodynamische Prognose und Evaluierung von realistischen Lasten auf ESDs
Laufzeit: 10/2019 – 09/2022
Projektmanager: P. Anschau
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner IBMV, Uni Rostock, MMG
Reg.-Nr.: 03SX493C

Die labortechnischen Untersuchungen, die mit zwei Verfahren, optoelektronisch und elektrome-chanisch, durchgeführt werden sollen, haben zum Ziel, Messverfahren für hochfrequente Messun-gen der durch Turbulenz verursachten Kraft- und Druckschwankungen an ESDs zu entwickeln und Messdaten zur Validierung des zu entwickelnden numerischen Simulationsverfahrens bereitzustel-len. Als optoelektronisches Verfahren soll ein High-Speed-PIV-Verfahren (Particle Image Veloci-metry) eingesetzt werden. Damit soll die Umströmung des Schiffshecks und insbesondere der Zu- und Abstrom der ESDs untersucht werden. Die elektromechanischen Untersuchungen richten sich auf die hochfrequente Erfassung der instationären Kraft- und Druckschwankungen an den ESDs und im Propellerlager am Modell. Für die Messung der Kräfte an einer Nachstromausgleichsdüse soll ein Messsystem neu entwickelt werden, das die zeitlich hoch aufgelöste Registrierung aller drei Kraftkomponenten und des Druckes am ESD erlaubt; außerdem werden die radialen Propeller-lagerkräfte erfasst. Die so erzeugten Daten geben Einblick in die Druck- und Kraftwirkung der turbulenten Strömungsschwankungen.

Numerische Simulationen werden durchgeführt, um die Übertragbarkeit der Modellversuchser-gebnisse auf das Schiff in der Großausführung zu bestimmen. Die Simulationen werden mit den entsprechenden Messergebnissen validiert. Diese Untersuchungen sollen zunächst zu einem Ver-fahrenskonzept führen, mit dem Kraft- und Druckschwankungen an der Düse vom Modellmaßstab auf die Düse in der Großausführung übertragbar sind. Für die Entwicklung des Skalierungsverfah-rens werden Untersuchungen an verschiedenen Maßstäben durchgeführt. Für die Simulationen soll ein zu entwickelndes hybrides Verfahren eingesetzt werden. Aus den Simulationen mit unter-schiedlichen Maßstäben soll eine Aussage über die Größe der zu erwartenden Lastspitzen an der Düse in der Großausführung getroffen werden können, evtl. auch eine Aussage über die Wahr-scheinlichkeiten des Auftretens.

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DEMO

Schwerpunkt des FuE-Vorhabens bildet die Untersuchung des Einflusses der Deviationsmomente in Wechselwirkung mit den Hauptträgheitsmomenten auf das Bewegungsverhalten eines Schiffes in schrägem Seegang. Für verschiedene Schiffsformen sollen umfangreiche numerische Untersuchungen erfolgen. Diese Ergebnisse sollen labortechnisch verifiziert werden. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, einen für Glattwasserfahrt entwickelten Fahrt- und Kursregler für Seegangsbedin-gungen bei Fahrt in Wellen unterschiedlicher Anlaufrichtung weiterzuentwickeln und zu erproben.

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Titel: Einfluss der Deviationsmomente auf das Seegangsverhalten
Laufzeit: 10/2019 – 03/2022
Projektmanager: Dr. M. Fröhlich
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF190066

Ein weiterer Schwerpunkt bezieht sich auf die Entwicklung eines numerisches Verfahrens, das es ermöglicht, die optimale Massenverteilung eines Labormodelles unter Berücksichtigung sämtli-cher vorgegebener Trägheitskenngrößen einschließlich der Deviationsmomente zu berechnen und visuell darzustellen. Damit soll erreicht werden, dass der bisher hohe Zeitaufwand zur Eintrim-mung eines Labormodells für Seegangsversuche deutlich verkürzt wird. Das Verfahren soll derart strukturiert werden, dass auf Basis eines CAD-files vom Innenraum eines Labormodells alle er-forderlichen Geräte, Ausrüstungselemente und Trimmgewichte nach entwickelten Optimierungs-algorithmus angeordnet werden und nach Berechnung der Eigenträgheitsmomente die Ist-Werte mit den Sollwerten automatisch verglichen werden.

Um eine erste Einschätzung des Einflusses der Deviationsmomente auf das Bewegungsverhalten von Schiffen geben zu können, sollen zunächst Simulationen mit einer linearen Streifenmethode durchgeführt werden. Hierbei soll es vor allem darum gehen, wie das Zusammenspiel von Devia-tionsmoment mit den entsprechenden Hauptträgheitsmomenten vonstattengeht und in welchen Größenordnungen sich das auf das Bewegungsverhalten auswirkt.

Der zweite Schwerpunkt umfasst die Entwicklung eines Regelalgorithmus, der es erlaubt, ein Labormodell auf definierten Kurs bei gegebener Fahrtgeschwindigkeit in Wellen ohne Kopplung des Modells zum vorausfahrenden Schleppwagen fahren zu lassen. Die Herausforderung in der Weiterentwicklung dieses Regelalgorithmus besteht darin, bei Fahrt in Wellen die durch die Wellen induzierten Bewegungen in allen 6 Freiheitsgraden zu berücksichtigen. Insbesondere die Roll-, Stampf- und Tauchbewegungen des Schiffes beeinflussen maßgeblich die Anströmung des Ruders. Vor allem bei Fahrt in schräganlaufenden Wellen haben Effekte wie die Austauchung des Propellers und zusätzliche seitliche Kräfte infolge der Wirkung der Wellen auf den Schiffsrumpf und ein zeitweiliger Stabilitätsverlust durch schwankende Hebelarme einen Einfluss auf die Kurshaltefähigkeit. Derartige Effekte müssen eingehend analysiert und durch kurze Reaktions-zeiten des Reglers in ihrer Wirkung minimiert werden.

Im Ergebnis des FuE-Vorhabens werden gesicherte Ergebnisse vorliegen, unter welchen Bedin-gungen und in welchen Bereichen die Deviationsmomente auf das Bewegungsverhalten eines Schiffes maßgeblichen Einfluss haben und zukünftig berücksichtigt werden müssen.

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A-SWARM

Ziel des Vorhabens ist die Erforschung und Entwicklung von Technologien, die einen autonomen Betrieb von elektrisch angetriebenen Wasserfahrzeugen auf Binnenwasserstraßen ermöglichen. Die Anforderungen betreffen sowohl die Echtzeit-Trajektorienplanung auf dem stark begrenzten Raum von Flüssen, Kanälen und Schleusen als auch das möglichst präzise Abfahren dieser Trajektorie unter Einflüssen wie Strömungen, Untiefen, Wind und Begegnungsverkehr, die besondere Herausforderungen auf den Binnenwasserstraßen darstellen.

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Titel: Autonome elektrische Schifffahrt auf WAsseRstrassen in Metropolenregionen
Laufzeit: 09/2019 – 08/2022
Projektmanager: Dr. C. Masilge
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner BEHALA, Infineon, Veinland, TU Berlin, Uni Rostock
Reg.-Nr.: 03SX485A

Es werden sowohl die technologi-schen Anforderungen an das Wasserfahrzeug selbst betrachtet, aber auch ob und welche technolo-gischen Anforderungen an die Infrastruktur hinsichtlich Kommunikation und Positionierung be-stehen. Die Prozesse des An- und Ablegens sowie des Be- und Entladens sind in diesem ersten Schritt von untergeordneter Bedeutung, das Vorhaben soll sich zuerst der Frage des autonomen Bewegens auf dem Wasser widmen. Hierbei ist insbesondere die Frage zu klären, ob es möglich ist, das Fahrzeug selbst mit ausreichender Sensorik zu bestücken, so dass es, abgesehen von einer Satellitenpositionierung, ohne weitere landgestützte Hilfsmittel sicher navigieren kann oder ob es notwendig ist, für einen sicheren autonomen Betrieb zusätzliche Infrastruktur an der Wasserstraße zu installieren. Es soll die Frage behandelt werden, ob die Ausstattung des Fahrzeuges mit State-of-the Art-Sensoren eine hinreichend genaue Beschreibung des Umfeldes ermöglicht oder ob es zwingend notwendig ist, externe Informationen z.B. über andere Verkehrsteilnehmer im Sinne ei-ner Verkehrslenkung durch eine Leitwarte an das Fahrzeug zu spielen, um eigene Entscheidungen durch ein KI-System an Bord treffen zu können. Ein weiterer Aspekt ist die Optimierung der Technologie hinsichtlich der Zielgrößen der möglichst genauen Positionierung und des möglichst geringen Einsatzes von infrastrukturellen Mitteln, um perspektivisch weder Verkehrssicherheit noch Marktfähigkeit zu gefährden.

Als Ergebnis des Projektes entsteht eine Technologie, die den autonomen und decarbonisierten Betrieb von kleineren Wasserfahrzeugen auf Binnenwasserstraßen im Bereich von Ballungsräu-men ermöglicht. Die technische Machbarkeit wird durch einen Demonstrator, bestehend aus zwei Versuchsträgern, nachgewiesen, die während des Projektes zur Erprobung der Zusammenführung der genutzten Technologien dienen. Die betrieblichen Aspekte werden in Form von Nutzungskon-zepten verdeutlicht und anhand eines im Laufe des Vorhabens auszuwählenden konkreten Anwen-dungsfalles nachgewiesen. Um perspektivisch die Verlagerung von Güterverkehren von der Straße auf die Wasserstraßen in Metropolenregionen zu ermöglichen, wird ein autonomes elektrisch an-getriebenes Wasserfahrzeug entwickelt, das in der Lage ist, gekoppelt mit gleichartigen Behältern energetisch günstig die Metropole zu erreichen und im Sinne der (vor-)letzten Meile sich aufsplit-tet und autonom das Ziel erreicht.

Die Demonstratoren werden zunächst unter Laborbedingungen in der Schlepprinne zur Erprobung der entwickelten Technologien im Einzelnen, als auch im Zusammenwirken und als Gesamtes entwickelt und erprobt. Letztendlich soll die Funktionsfähigkeit des autonomen elektrischen Was-serfahrzeugsystems anhand einer Freilanderprobung in einem Reallabor auf innerberliner Wasser-straßen nachgewiesen werden.

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Akustik

Ziel des Vorhabens ist die Verbesserung der experimentellen Prognose der von Schiffen und Antriebssystemen abgestrahlten Schallpegelspektren. Gegenüber der üblichen Vorgehensweise, die Schallpegelprognose allein aus Messungen im Kavitationstunnel abzuleiten, sollen akustische Messungen auch in der Schlepprinne durchgeführt und in die Prognose einbezogen werden.

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Titel: Prognose von Schallspektren von Schiffen auf Basis hybrider Messungen
Laufzeit: 09/2019 – 02/2022
Projektmanager: K. Domke
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF190016

Auf der Basis hybrider Messungen soll ein Konzept der Schallpegelanalyse erarbeitet werden, mit dem die Messergebnisse der Schallmessungen von Schlepprinne und Kavitationstunnel zusammengeführt und zu einem aussagekräftigen Gesamtergebnis zusammengestellt werden können. Die Berücksichtigung der besonderen Eigenschaften der jeweiligen Versuchsanlage ist besonders wichtig. Die Entwicklung der hybriden Schallpegelprognose beinhaltet die Erweiterung der Messverfahren in der Schlepprinne zur Minimierung der Hintergrundgeräusche für das vorbeifah-rende Schiffsmodell und die Erweiterung der Messungen im Kavitationstunnel in den Bereich der Froudschen Ähnlichkeit zur Generierung von Vergleichsspektren. Für die kavitationsfreien Betriebspunkte des Schiffes (Propellers) können schon aus den Messungen in der Schlepprinne ge-naue Prognosen der abgestrahlten Schallpegelspektren erarbeitet werden. Wenn Kavitation auftritt, sind die Schallpegelmessungen im Kavitationstunnel maßgeblich für die Prognose. Durch den Abgleich der Messungen in beiden Versuchsanlagen kann die Genauigkeit der Übertragung der im Kavitationstunnel gemessenen Schallpegel auf Freifeldbedingungen geprüft werden. Da im Kavitationstunnel häufig nur ein Propeller von Zwei- und Mehrschraubenschiffen vermessen wird, können die notwendigen Korrekturen zur Berücksichtigung des Einflusses von mehreren Propellern auf die Schallspektren aus den Schlepprinnenmessungen abgeleitet und Verfahren überprüft werden.

Die experimentellen Untersuchungen sollen durch theoretische Arbeiten begleitet werden. Dabei sollen Kenntnisse über Simulationsergebnisse zu Schallausbreitung in der Schlepprinne unter Beachtung von Wand- und Bodenreflektionen, sowie dem Einbezug des Strandes erlangt werden. Randelementeverfahren können Aufschluss über eine günstige Positionierung der Schallsensoren geben. Ebenso sollen CFD-Berechnungen zur Kavitationstunnelmessstrecke durchgeführt werden. Dies festigt die Kenntnisse über die Schallausbreitung in dieser spezifischen Versuchsanlage und soll zur Bewertung der später gemessenen Schallpegelspektren beitragen.

Eine Verbesserung der Prognosegenauigkeit bei Betrachtung von nur einer Dummymodellhälfte, und damit von nur einem Antrieb eines Zweischraubenschiffes soll anhand von Großausführungsmessdaten geprüft werden. Zur Umrechnung von Messungen im Modellmaßstab zu Großausführungen sollen Empfehlungen erarbeitet werden, wie eine Umrechnung auf Zweischrauber erfolgen kann. Dabei ist vor allem zu beachten, dass bei Antrieben bei denen die Propellerflügel keine feste Phasenlage zueinander habe die Zweipoltheorie berücksichtigt werden muss.

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PSDMan

Im Rahmen des Vorhabens soll der Einfluss von Vordralldüsen (PSD – Pre-swirl duct) auf das Manövrierverhalten von völligen Schiffen, insbesondere der Kursstabilität, und die Wechselwirkung der Vordralldüse mit Ruder und Propeller untersucht werden. Die Manövriereigenschaften des Modells werden durch Versuche mit und ohne Ausgleichsdüse ermittelt. Im Fokus steht hier die Betrachtung der Gierstabilität. Für die Durchführung von Drehkreisversuchen sind Freilandversuche notwendig. Die Düsenkräfte werden während der Manöver gemessen, um Lastspitzen bestimmen zu können.

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Titel: Untersuchung des Einflusses von Pre-Swirl Ducts/Vordralldüsen auf die Manövriereigenschaften von völligen Schiffen
SVA: Manövrierverhalten von völligen Schiffen mit Vordralldüse
Laufzeit: 07/2019 – 06/2022
Projektmanager: L. Lübke
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner IBMV, BMS, TUHH
Reg.-Nr.: 03SX488C

Die Messungen werden durch umfangreiche numerische Simulationen ergänzt bzw. erweitert, wobei die Versuchsergebnisse zur Validierung der Simulationsergebnisse herangezogen werden. Es wird ein effizientes Setup zur Durchführung von Manöversimulationen erarbeitet. Die Kräfte auf das Schiff sollen für unterschiedliche Manöver berechnet werden. Es sollen sowohl „captive-tests“ (geführtes Schiff/Modell) als auch freie Manöversimulationen durchgeführt werden. Entscheidend für die Durchführung der numerischen Simulationen ist der Einsatz von überlappenden Gittern, die dazu befähigen sollen, z.B. Ruderlegesimulationen einfacher durchzuführen. Es werden unterschiedliche Turbulenzmodellierungen angewandt, die von einer vollturbulenten Strömung mit einem Zweigleichungsmodell zu hybriden Verfahren reicht. Die Simulationen erfolgen im Maßstab des Modells als auch des Schiffes, wodurch eine Abschätzung der Reynoldszahleffekte möglich wird. Die Kursstabilität soll u.a. mit dem Stability-Index quantifiziert werden. Der Simulations-umfang umfasst u.a. „pure yaw“ und „pure sway“. Dies ermöglicht die Bestimmung der Manövriereigenschaften auf Basis eines eingeschränkten Koeffizientensatzes. Desweiteren sollen Manöver wie z.B. eine Drehkreissimulation direkt simuliert werden.

Ein weiterer Punkt ist, einen abgestimmten Entwurf von PSD und Propeller hinsichtlich des Manövrierverhaltens unter Berücksichtigung der gegenseitigen Wechselwirkungen durchzuführen. Die Leistungsreduzierung, die sich aus einer genaueren Abstimmung des PSD- und Propellerentwurfs ergibt, soll experimentell quantifiziert werden. Für die optimierte PSD wird ein Propeller unter Berücksichtigung der Düse-Propeller-Wechselwirkung entworfen. Vergleichende Untersuchungen werden das Einsparpotenzial aufzeigen.

Als Ergebnis des Vorhabens soll der Einfluss der PSDs auf das Manövrierverhalten quantifiziert und die Kräfte auf die PSD während des Manövrierens bestimmt werden.

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