Schiff

Gute Schiffslinien sind die Grundlage für einen effizienten und sicheren Betrieb eines Schiffes. Die Kunden werden bei der Entwicklung optimaler Schiffslinien durch erfahrene Ingenieure und Nutzung effektiver Berechnungstools unterstützt. Der Entwurfsprozess findet in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden statt und wird von CFD-Berechnungen begleitet. Mit den Ergebnissen der CFD-Berechnungen kann eine Geschwindigkeits- und Leistungsprognose erstellt werden. Beim Linienentwurf werden die Programme CAESES und DELFTship professional eingesetzt. Die CFD-Berechnungen werden mit den viskosen CFD-Lösern ANSYS CFX bzw. Fluent durchgeführt. Zur Bewertung des Seegangsverhaltenseines Schiffsentwurfessteht das UTHLANDE Programmpaket zur Verfügung.

Linien- und Spantenriss für ein MPC

 

Sollten die Hauptabmessungen nicht fest vorgegeben sein, werden entsprechend der vorgegebenen Spezifikationen Parameterstudien angeboten. Hierbei werden mittels CFD-Berechnungen, mit statistischen Methoden und unter Verwendung der umfangreichen SVA Datenbank die günstigsten Werte für Parameter wie Hauptabmessungen (L, B, T) oder Koeffizienten (CB, CM, LCB …) ermittelt. Hieraus kann der Einfluss von Änderungen der verschiedenen Formparameter auf die Leistung des Schiffes ermittelt werden.
 

Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Abdel-Maksoud, M.: Advantage of Application of CFD Methods in Ship Form Development, AEA – SVA Forum, Potsdam, 23rd March 2001
[2]    Grabert, R., Rieck, K.: Hull Form Optimisation of Ferries Using CFD, 10. SVA-Forum, Potsdam, 26. Juni 2003
[3]    Lübke, L.: STG 2009 – CFD-basierte Schiffsformoptimierung CFD-Sprechtag der STG, Hamburg, 25. September 2009
[4]    Steinwand, M.: High Efficiency Design in der SVA, 5. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 26. Januar 2012
[5]    Lübke, L.: CFD in Ship design, ANSYS Conference & 32nd CADFEM Users` Meeting 2014

Bitte lesen Sie hier weiter zur simulationsgestützten Schiffsformoptimierung.

Die Leistungsprognose ist die grundlegende Aufgabe der Schiffbau-Versuchsanstalten.

Leistungsprognose auf Grundlage von Modellversuchen

Mit Hilfe von Modellversuchen wird die erforderliche Antriebsleistung für alle Arten von Wasserfahrzeugen ermittelt. Die klassische Leistungsprognose beruht auf

  • Widerstandsversuchen
  • Freifahrtversuchen
  • und Propulsionsversuchen.

Mit Hilfe dieser Versuche lassen sich alle leistungsbestimmenden Parameter ermitteln. Die Extrapolation der Modellversuchsergebnisse erfolgt entweder ohne Bestimmung eines Formfaktors oder nach der “ITTC 1978 Performance Prediction Method“ mit Formfaktor. Beide Verfahren sind etabliert und liefern zuverlässige Ergebnisse für die Großausführung. Die SVA führt die Propulsionsversuche  unter Anwendung der Britischen Methode durch.

Voraussetzung für die Extrapolation der Versuchsergebnisse ist höchste Genauigkeit beim Messen und in der Modellfertigung. Die SVA hält die Vorgaben der ITTC (International Towing Tank Conference) für alle Bereiche des Versuchswesens ein. Modernste Mess- und Auswertungstechnik unterstützt den Versuchsingenieur und reduziert den Zeitaufwand für die Durchführung der Versuche.  Die Versuchsergebnisse und –verfahren werden laufend verifiziert und validiert.

Leistungsprognose auf Grundlage statistischer Daten

Auf Grundlage der SVA Datenbank sowie verschiedener empirischer Methoden ist die SVA Potsdam in der Lage, eine schnelle Leistungsprognose zu erstellen [1]. Dies ermöglicht eine erste Abschätzung des Leistungsbedarfs eines Wasserfahrzeugs im frühen Entwurfsstadium.

Leistungsprognose auf Grundlage viskoser CFD Berechnungen

In viskosen CFD-Simulationen („Computational Fluid Dynamics“) werden die Umströmung der Geometrie und der daraus resultierende Widerstand sowie das Nachstromfeld im Maßstab der Großausführung oder/und im Modellmaßstab berechnet. Anhand dieser Berechnungen können auch eventuelle Verbesserungspotenziale der Schiffslinien erkannt werden. Um den Effekt des arbeitenden Propellers auf den Schiffswiderstand einbeziehen zu können, werden in weiteren CFD-Berechnungen  die Propellerwirkung simuliert oder die reale Propellergeometrie berücksichtigt. Aus dem so berechneten Widerstand unter Propulsionsbedingungen bzw. aus dem berechneten Drehmoment lässt sich die Antriebsleistung ermitteln. Falls keine kundenspezifischen Propellerdaten vorliegen, werden ersatzweise hierzu die Polynome der Wageningen B-Serie verwendet.

Die Leistungsprognose auf Grundlage viskoser CFD-Berechnungen [2] ist für viele Anwendungsfälle eine Alternative zum Modellversuch, insbesondere dann, wenn nur einzelne Betriebspunkte gefragt sind. Die Ergebnisse können weiterhin zur allgemeinen Schiffsbegutachtung, zur Motorenauslegung und als Grundlage für den Propellerentwurf genutzt werden.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Grabert, R.: Ein Verfahren zur Leistungsprognose nach Vergleichsschiffen, Schiffbauforschung 31(1992)1
[2]    Rieck, K., Hellwig-Rieck, K.: Numerische Propulsionsprognose von Schiffen, STG-hauptversammlung, Rostock, November 2011

Modell einer Luxus-Yacht.

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Ein Maximum an Performance mit einem Minimum an störenden Einflüssen zu verbinden ist das Ziel jeder Yachtuntersuchung. Schwerpunkte der Entwicklung und Optimierung sind deshalb u.a. die Schiffsumströmung mit einer möglichst homogenen Zuströmung zum Propeller, das Seegangsverhalten (Rolldämpfung), die Untersuchung und Vermeidung von Vibrationen und Geräuschen sowie die Abgasausbreitung.Mit den folgenden Leistungen werden Yachtprojekte unterstützt:

  • Berechnung der Umströmung des Unterwasserschiffes und Ausrichtung von Anhängen (Wellenbockarme, Stabilisierungsflossen, …)
  • Widerstands- und Propulsionsversuche
  • Optimierung von Staukeilen, Interceptoren und Spritzleisten
  • Strömungsvisualisierung (Farbversuch, Fädchenversuch, Nachstrommessung)
  • Berechnung des Seegangsverhaltens und der Manövriereigenschaften
  • Manövrierversuche
  • Seegangsversuche mit passiven und aktiven Stabilisierungsflossen
  • Berechnung der Abgasausbreitung und der Abgaskonzentration an vorgegebenen Positionen
  • Propellerentwurf
  • Kavitationsversuche und Druckschwankungsmessungen mit Finalpropellern im Nachstrom der Großausführung
  • Messung der Schallabstrahlung des Propellers

Die jeweiligen Messergebnisse werden auf die Großausführung extrapoliert, so dass den Designern und der Werft das spätere Verhalten der Yacht bereits vor dem Bau bekannt ist. Ziel der Untersuchungen sind neben der Ermittlung der grundlegenden hydrodynamischen Eigenschaften des Schiffes auch die Gewährleistung eines Höchstmaßes an Komfort an Bord des Schiffes. Hier spielen Druckschwankungsmessungen und die Hydroakustik eine

CFD-Berechnung für eine Segelyacht

Die hydrodynamische Analyse von Segelyachten stellt besonders hohe Anforderungen an die Versuchstechnik, da diese durch den Einfluss der Windkräfte krängen, gieren und vertrimmen. Die SVA verfügt über Messeinrichtungen, mit der der Widerstand bei vorgegebenen Gier-, Krängungs- und Trimmwinkel bei freier Tauchung bestimmt werden kann. Kräfte am Ruder und am Kiel können dabei ermittelt werden. Neben der experimentellen Untersuchung von Segelyachten können detaillierte hydro- und aerodynamische Strömungsberechnungen mit viskosen Verfahren (ANSYS) bis hin zur kompletten Analyse der Performance der Yacht durchgeführt werden.

Frachtschiff
Frachtschiff in der Schleppinne

Mittels modernster Messtechnik höchster Genauigkeit können alle Frachtschiffstypen jeder Größe untersucht werden. Die Spanne reicht vom Binnenschubleichter bis zu den größten Containerschiffen und Bulkern.Zur Erstellung einer Leistungs- und Geschwindigkeitsprognose werden Widerstands-, Propulsions- und Freifahrtversuche in der 280 m langen Schlepprinne durchgeführt. Im Rahmen dieser Versuche ist die Bestimmung des EEDI-Index gemäß der Resolution Mepc.214(63) (2012 Guidelines On Survey And Certification Of The Energy Efficiency Design Index) möglich.

Um Frachtschiffe effizienter und sicherer zu machen, bietet die SVA Potsdam verschiedenste Leistungen an. Versuche zur Optimierung der Propellerdrehrichtung bei Mehrschraubern sowie eine Trimm- und Ruderwinkeloptimierung können zu signifikanten Leistungseinsparungen führen. Für den Entwurf eines nachstromangepassten Propellers werden Nachstrommessungen am Modell durchgeführt.

Das Seeverhalten des Schiffes kann in regulären und irregulären Seegängen sowie in Wellenpaketen ermittelt werden. Für die Untersuchung des arbeitenden Propellers unter Kavitationsähnlichkeit steht ein Kavitationstunnel (Kempf & Remmers) mit moderner Messtechnik zur Verfügung.

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Schlepper sind mit einer leistungsstarken Antriebsanlage ausgerüstet, um andere Schiffe oder große schwimmfähige Objekte zu schieben oder zu ziehen. Die Schlepper sind überwiegend mit Düsenpropellern, Thrustern oder Voith-Schneider-Propellern ausgerüstet. Die Leistung und damit der Pfahlzug der Schlepper haben sich in den letzten Jahren deutlich erhöht. Deshalb müssen Aspekte der Reynoldszahlkorrektur für Düsenpropeller, Thruster und Voith-Schneider-Propeller sowie die Gefährdung hinsichtlich eines Schubabfalls durch Kavitation beim Entwurf stärker beachtet werden.

Im Rahmen von FuE-Vorhaben, gefördert durch das BMBF und das BMWi wurden in den letzten Jahren systematische Berechnungen und Modellversuche mit Schleppern und deren Antriebssysteme durchgeführt. Im FuE-Vorhaben „Korrelation Z-Antrieb mit Düsenpropeller“ wurden die Erkenntnisse auf dem Gebiet der CFD-Berechnungen erfolgreich für die systematische numerische Untersuchung von Düsenpropellern angewendet [1]. Die ermittelten Hinweise und Verfahren zur Reynoldszahlkorrektur sind eine wichtige Grundlage für die Bewertung von Versuchen mit freien Düsenpropellern oder mit Thrustern mit Düsenpropellern. In den FuE-Vorhaben „Erhöhung der Entwurfssicherheit von Düsenpropellersystemen unter Pfahlzugbedingungen“ und „Reynoldszahleinflüsse auf die Pfahlzugprognose“ wurden die Verfahren der Pfahlzugprognose bei Schleppern mit Düsenpropelleranordnung analysiert [2], [3]. Insbesondere die Erkenntnisse zum kavitationsbedingten Schubabfall des Düsenpropellers bei hohen Schubbelastungsgraden sind heute ein Bestandteil im Entwurfsprozess des Düsenpropellers. Mit dem von der SVA erarbeitetem Diagramm zur Abschätzung der Gefahr von kavitationsbedingtem Schubabfall kann die Notwendigkeit von Kavitationsversuchen bestimmt werden.

Umfangreiche Untersuchungen zur Kavitation an den Antriebssystemen von Schleppern wurden im Kavitationstunnel der SVA und im großen Umlauf- und Kavitationstunnel (UT2) der TU Berlin durchgeführt [2], [3], [4], [5]. Dazu wurden u.a. Pfahlzugversuche bei Kavitationsähnlichkeit mit Modellen von AHTs sowie Voith Water Traktoren (VWT) realisiert.Im FuE-Vorhaben „Prognosesicherheit für den Leistungsbedarf von Schleppern mit Düsenpropellersystemen“ wurden Geosim-Versuche mit Schleppermodellen sowie umfangreiche CFD-Berechnungen durchgeführt, um die Maßstabseinflüsse auf die Propulsionsprognose für Schlepper analysieren zu können. Die Ergebnisse der Messungen und Berechnungen wurden mit Großausführungsmessungen von AHTs verglichen und in die Prognoseverfahren integriert.

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Abdel-Maksoud, M., Heinke, H.-J.: Scale Effects on Ducted Propellers, 24th Symposium on Naval Hydrodynamics, Fukuoka, Japan, 2002
[2] Mertes, P., Heinke, H.-J.: Aspects of the Design Procedure for Propellers Providing Maximum Bollard Pull, ITS 2008, Singapore, 2008
[3] Heinke, H.-J., Hellwig, K.: Aspekte der Pfahlzugprognose für Schlepper großer Leistung,104. Hauptversammlung der Schiffbautechnischen Gesellschaft, Hamburg, 2009
[4] Heinke, H.-J.: Model tests with Voith Schneider Propellers at high thrust coefficients, Hydrodynamic Symposium – Voith Schneider Propulsion, Heidenheim, March 2006
[5] Heinke, H.-J.: High-Speed Camera Observations of the Cavitation at a Voith Schneider Propeller, 2nd Symposium Voith Schneider Technology, Heidenheim, June 2008
[6] Heinke, H.-J., Grabert, R.: Influence of the Reynolds number on the characteristic of ducted propellers, 68. Sitzung des FA “Schiffshydrodynamik” der STG, Hamburg, 08.10.2014

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Das typische Offshore Support Vessel (OSV) ist ein Zweischrauber. Wenn der Pfahlzug der wichtigste Betriebsparameter ist, wird das Offshore Support Vessel zumeist mit Verstellpropellern in Düsen ausgerüstet. Wenn Manövrier- und DP-Eigenschaften den Entwurf des OSV bestimmen, kommen Thruster und Voith Schneider Propeller (VSP) zum Einsatz. Die Voith Schneider Propeller können auch zur Rollstabilisierung eingesetzt werden und bieten die optimale DP-Kontrolle des Schiffes. Darüber hinaus sind OSVs in einigen Fällen mit Rolldämpfungstanks ausgerüstet. Durch diese Einrichtungen wird das OSV zu einer stabilen Arbeitsplattform auch in unruhiger See.

Im Rahmen verschiedener Industrieaufträge und Forschungsprojekte [1], [2], [3] wurden umfangreiche Untersuchungen zur Propulsion derartiger Schiffe mit VSPs beziehungsweise mit Thrustern durchgeführt. Somit kann die SVA Potsdam auf vielfältige Erfahrungen, z.B. hinsichtlich des Einflusses der Flügelgeometrie oder der Einbaubedingungen, zurückgreifen.
Neben Widerstands- und Propulsionsanalysen werden in der SVA Potsdam auch Untersuchungen zum  Manövrier- und Seegangsverhalten dieser Schiffe durchgeführt [4], [5].

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte:

[1]    Grabert, R.: Analysis of the Interaction VSP – Hull of Modern OSV, 4th Voith Symposium, Heidenheim, 12. – 14. Juni 2012
[2]    Heinke, C.: Offshore Support Vessel mit zwei Voith Schneider Propellern, Bericht 4310, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam, Dezember 2014 (Abschlussbericht)
[3]    Heinke, C.: Investigations of OSV with VSP propulsors at SVA Potsdam, 5. Hydrodynamisches Symposium on Voith Schneider Propulsion, Heidenheim, 30.09. – 02.10.2014
[4]    Heinke, C.: Offshore Support Vessel mit Voith Schneider Propeller, 8. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 29. Januar 2015
[5]    Steinwand, M.: Dynamic Positioning mit Motionstabilisierung („DP Motion“), 8. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 29. Januar 2015

 

Die SVA Potsdam untersucht und optimiert Gleiter und Halbgleiter hinsichtlich ihrer dynamischen Fahreigenschaften in Verdränger- und Gleitfahrt. Dazu zählen u.a. Untersuchungen bezüglich konstruktiver Maßnahmen, welche ein frühzeitiges und stabiles „Angleiten“ fördern sowie eine stabile Schwimmlage während der Gleitfahrt gewährleisten. Bei allen Betrachtungen stehen ein geringer Leistungsbedarf, Stabilität und Seeverhalten im Fokus der Untersuchungen. Das dynamische Fahrverhalten von Gleitbooten kann sowohl experimentell als auch numerisch untersucht werden. Hierbei können durch gezielte Modifikationen und Einstellungen am Modell optimale Lösungen gefunden werden. Das Leistungsangebot der SVA umfasst im Bereich der Gleitboote folgende Untersuchungsschwerpunkte:

  • Widerstands- und Propulsionsversuche
  • Findung einer optimalen Interceptoreinstellung
  • optimale Schwerpunktlage
  • optimale Staukeile oder Trimmklappen
  • Entwurf und Untersuchung von Spritzleisten
  • Manövrierversuche im Freiland
  • Untersuchung von Gleitstringern

 

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte
[1] Schomburg, E.: FuE-Projekt „Gekoppeltes CFD-Verfahren zur Widerstandsprognose von Schiffen im Gleitzustand“

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Für einen guten Propellerentwurf ist eine detaillierte Kenntnis des nominellen Nachstromfeldes, also der Geschwindigkeitsverteilung in der Propellerebene notwendig. Zur experimentellen Bestimmung des Nachstromes werden 5-Loch-Kugelsonden, LDA  oder PIV („Particle Image Velocimetry“) eingesetzt. Standardmäßig wird eine 5-Loch-Kugelsonde verwendet und bietet dabei folgende Möglichkeiten:

  • Messungen in der Propellerebene
  • Messungen am Ort der Anhänge, z. B. der Wellenbockarme
  • Mit der Sonde können beliebige Koordinaten angefahren werden
  • 3-Dimensionale Nachstromfeldmessung

Die Standard-Messung eines Nachstromfeldes für Einschrauber wird auf 6 Radien jeweils alle 5° durchgeführt. Für Messungen hinter Podded Drives, Wellenböcken u.a. wird die Auflösung entsprechend angepasst.

Neben der experimentellen Bestimmung  des Nachstromfeldes ist eine Berechnung mittels CFD-Simulation möglich. Vorteil einer CFD-Simulation ist die Berechnung des Geschwindigkeitsfeldes für die Reynoldszahl der Großausführung.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Anschau, P., Mach, K.-P.: Application of a Stereo PIV System for Investigations of Flow Fields in Towing Tank and Cavitation Tunnel, HYDRONAV 2007, Wroclaw, Polen, September 2007
[2]    Grabert, R.: Der Einfluss unterschiedlichster Betriebszustände eines Schiffes auf das Nachstromfeld, 3. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 28. Januar 2010:
[3]    Lübke, L.: Formoptimierung unter Berücksichtigung der Charakteristik des Nachstromfeldes, 4. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 27. Januar 2011

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Die Manövrierfähigkeit und Gierstabilität eines Schiffes sind entscheidende Kriterien für den sicheren Betrieb eines Schiffes. Daher gehören Untersuchungen zum Manövrierverhalten von Schiffen  zu den Kernaufgaben der SVA Potsdam. Der Fokus liegt dabei sowohl auf der Durchführung von Modellversuchen als auch auf Simulationsberechnungen. Manövrierversuche werden entweder mit freifahrenden Modellen in der Schlepprinne (eine Auswertung erfolgt hier über eine Systemidentifikation) oder auf freien Gewässern realisiert. Es können beliebige Manöver, wie Drehkreise, Z-Manöver, Williamson-Turn, Spiralkurven, untersucht werden. Auf freiem Gewässer werden Modellgrößen bis zu 8 m untersucht. Unterwasserfahrzeuge werden sowohl freifahrend als auch an einer SUBPMM-Anlage untersucht. Manövrierversuche werden für konventionelle Schiffstype auch für spezielle Fahrzeuge wie z. B. schnelle Schiffe (Halbgleiter und Gleitboote), Doppelendfähren und Unterwasserfahrzeuge durchgeführt. Manöversimulationen beruhen sowohl auf Versuchen als auch auf Berechnungen. Mit der u.a. durch die SVA Potsdam entwickelten Softwareumgebung Uthlande kann das Manövrierverhalten von Schiffen auch im Seegang simuliert werden. Besonders im Entwurfsstadium, wenn verschiedene Varianten verglichen werden müssen, ist dies die gegebene Herangehensweise.

Je nach Aufgabenstellung erhält der Kunde als Ergebnis die Kriterien für den IMO Standard for Ship Manoeuvrability (IMO Resolution MSC. 137(76)), Aussagen über die Gierstabilität, den Geschwindigkeitsverlust, Spiralkurven, etc.

Großausführungsmessungen werden mit eigenem Team und eigenem Aufzeichnungs-System (DGPS) durchgeführt. Die SVA Potsdam führt neben der Bestimmung des Manövrierverhaltens der Großausführung auch Meilenfahrten, Leistungs-, Vibrations- und Geräuschpegelmessungen sowie Kavitationsbeobachtungen durch.

 

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Steinwand, M.: SLOWMAN – Manövrieren bei kleinen Geschwindigkeiten, 4. SVA-Forschungsforum „Theoria cum Praxi“, Potsdam, 27. Januar 2011
[2]    Steinwand, M.: Manoeuvrability of a Single Screw Ship with Pod, HYDRONAV’03, Gdansk 22. – 23. October 2003
[3]    Steinwand, M.: Maßstabseffekte bei der Bestimmung des Manövrierverhaltens von Unterwasserfahrzeugen durch Modellversuche, 2. SVA-Forschungsforum „Theoria cum Praxi“, Potsdam, 29. Januar 2009
[4]    Weede, H.: System identification of manoeuvring ship models, Report accompanying the lecture hold at SVA on Nov 26, 2001

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Das Seegangsverhalten von Schiffen und Offshorekonstruktionen wird mittels Modellversuchen und mit numerischen Simulationen ermittelt.Modellversuche im Seegang werden in der Schlepprinne durchgeführt. Hierfür steht ein hydraulischer Wellenerzeuger, mit dem neben verschiedenen Wellenspektren auch reguläre Wellen und transiente Wellenpakete generiert werden können, zur Verfügung. Signifikante Wellenhöhen sind im Modellmaßstab bis 0.23 m bei Modalperioden bis zu 2.5 s möglich. Bei einem Modellmaßstab von etwa 1:40 können dabei Seegangsspektren bis zu Sturmstärke mit etwa 10 m signifikanter Wellenhöhe bei 18 s Modalperiode im Schiffsmaßstab nachgebildet werden. Der Vermeidung unerwünschter Wellenreflexionen dienen ein Strand mit natürlicher Neigung sowie zusätzliche seitliche Wellendämpfer zur Absorption von Diagonalwellen.

Seegangsversuche erfolgen mit freifahrenden, selbstangetriebenen Modellen zur Erfassung der Bewegungen und Beschleunigungen sowie der Wasserübernahme, Relativbewegung, Propelleraustauchung und von Slammingerscheinungen. Die Effektivität von gesteuerten Zero-Speed-Flossen hinsichtlich deren Rolldämpfung wird in Versuchen mit dem Modell ohne Fahrtgeschwindigkeit vorgenommen. Die Ermittlung von Kraftbeiwerten erfolgt in Versuchen mit gefesseltem Modell.

Seegangsversuche können in Gegen- und Folgesee sowie bei schräg anlaufendem Seegang bis maximal 35° Kursabweichung durchgeführt werden. Letztere erfolgen in Form von Zick-Zack-Fahrten, die von den Klassifikationsgesellschaften als Versuchstechnik anerkannt sind.
Das Bewegungsverhalten der Untersuchungsobjekte wird über ein hochauflösendes optisches Bahnverfolgungssystem erfasst. Dieses System erlaubt die berührungslose Messung der gekoppelten Bewegungen von Zweikörpersystemen in allen 6 Freiheitsgraden sowie Geschwindigkeiten und Beschleunigungen an definierten Positionen.

Für numerische Simulationen des Seegangsverhaltens steht das Programmsystem UTHLANDE zur Verfügung. Auf Basis einer linearen und nichtlinearen Streifenmethode erlaubt dieses System die Berechnung der Bewegungen und Belastungen von Einrumpfschiffen und Katamaranen für alle 6 Freiheitsgrade. Das Programm liefert die statistischen Kennwerte (Kurzzeit- und Langzeitstatistik) für lang- und kurzkämmigen Seegang mit Darstellung in kartesischen oder Polar-Diagrammen bzw. eine Videoanimation auf Basis eines „Ship motion viewer“. Das Verfahren liefert wertvolle Erkenntnisse bei Variation verschiedener seegangsspezifischer Parameter im Optimierungsprozess und dient als wertvolle Unterstützung von Modellversuchen.

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Fröhlich, M.: Experimentelle und rechnerische Analyse von Slammingbelastungen im Seegang, Ermittlung von Koeffizienten zur Abschätzung von Slammingbelastungen, SVA-Potsdam, 16.02.2000
[2]    Fröhlich, M.: Ermittlung der Wasserübernahme bei Schiffen im Seegang mit Hilfe der Anwendung moderner Ultraschalltechnik, 1. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 31. Januar 2008
[3]    Fröhlich, M.: Wasserübernahme und parametererregte Rollschwingungen bei Schiffen im Seegang, Mitgliederversammlung, Verein zur Förderung der SVA e.V., 18. Dezember 2008

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Untersuchungen des Rollverhaltens, speziell der Rolldämpfung von Schiffen, sind vor allem in den letzten Jahren zu einem speziellen Gebiet der hydrodynamischen Forschung geworden. Moderne Containerschiffe besitzen infolge hoher Decksladung nur noch geringe Stabilitätsreserven und sind damit in hohen Seegängen der Gefahr extremer Rollbewegungen ausgesetzt. Die Entwicklung von Spezialschiffen und Versorgern für den Offshore-Bereich ist von strengen Vorgaben hinsichtlich Positionierbarkeit und Bewegungsstabilisierung geprägt, um die Risiken beim Anlegen unter Seegangsbedingungen zu reduzieren.

Die SVA Potsdam verfügt über modernste Versuchsmethoden mit zugehörigen neuen Messmethoden. Innovative Verfahren zur Verbesserung des Rollverhaltens von Schiffen bietet die SVA vor allem zu gesteuerten Flossen, Rudern, Voith-Schneider-Anlagen sowie Rolldämpfungstanks und zu deren Optimierung an.

Die SVA verfügt über eine Anlage, die erzwungene Rollbewegungen von Schiffsmodellen bei Variation von Rollamplitude und -frequenz mit und ohne Fahrtgeschwindigkeit hervorruft. Hierbei werden die Rollmomente gemessen.

Parametererregtes Rollen kann mit dem Verfahren ROLF (nichtlineare Streifenmethode), welches in das Programmsystem UTHLANDE integriert wurde, simuliert werden. Für eine schnelle Abschätzung der Gefährdung eines Schiffes bezüglich parametererregter Rollschwingungen wird ein in der SVA entwickeltes Verfahren genutzt, das auf Basis der Schwankungen der metazentrischen Höhen einen Indikator liefert, ob für eine Kombination von Fahrgeschwindigkeit, Wellenhöhe und Wellenlänge eine Rollanregung zu erwarten ist.

Für die Auslegung von Rolldämpfungstanks stehen Berechnungsverfahren zur Verfügung, mit denen sowohl Frahm- als auch Boxtanks analysiert werden können.

Insbesondere für große Yachten und Kreuzfahrtschiffe bieten sich als Rolldämpfungseinrichtungen Flossensysteme an, die bei entsprechender Geometrie auch im Stand dämpfen. Die Rolldämpfungsraten dieser und ähnlicher Systeme werden in der Schlepprinne bei Beaufschlagung des Modells mit unterschiedlichen Seegangsspektren ermittelt.

    

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Fröhlich, M., Nietzschmann, T., Wuttke, H.: Untersuchung der parametererregten Rollschwingungen bei modernen Containerschiffen, Kolloquium Schiffstechnik, Uni Rostock, 21 Januar 2011
[2]    Fröhlich, M., Schumann, C.: Simulationsverfahren zur effizienten Bestimmung großer Rollbewegungen von Schiffen, 5. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 26. Januar 2012
[3]    Fröhlich, M.: Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Rolldämfung, 6. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 31. Januar 2013
[4]    Fröhlich, M.: ROLLTANK – Weiterentwicklung und Validierung von theoretischen Verfahren zur Vorhersage der Rollbewegung von Schiffen unter Berücksichtigung von Rolldämpfungstanks, 8. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 29. Januar 2015

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Für Slamminguntersuchungen wurde in der SVA ein hydraulischer Slammingsimulator entwickelt. Mit Hilfe der Anlage wird das Modell über zwei in Längsrichtung angeordnete, vertikal bewegliche Hydraulikkolben zu erzwungenen Tauch- und Stampfbewegungen sowie gekoppelten Bewegungen angeregt. Je nach Modellgröße sind Amplituden bis 0.1 m bei Frequenzen bis maximal 2 Hz erreichbar. Damit können Slammingbelastungen simuliert werden, bei denen die kritischen Eintauchgeschwindigkeiten deutlich überschritten werden. Es können sowohl Bodenslamming bei Gleitbooten als auch Bowflareslamming bei allen Schiffstypen mit deutlichem Spantausfall vor allem im Bugbereich untersucht werden. Die Anlage erlaubt die Simulation regulärer sowie irregulärer Bewegungen. Die Vorteile gegenüber Slammingmessungen in einem herkömmlichen Seegangsversuch bestehen in der gezielten Nachbildung von Slammingszenarien, die definierten Eintauchbedingungen zugeordnet werden können und in der exakten Reproduzierbarkeit der Versuchsbedingungen.

Die Ausrüstung von Modellen mit Miniaturdrucksensoren verschiedener Baugrößen ermöglicht die Messung von Slammingdrücken an gefährdeten Positionen des Rumpfes im Modellversuch unter extremen Seegangsbedingungen sowohl bei Fahrt als auch im Stand. Zudem können Slammingdrücke auch ergänzend bei regulären Seegangsversuchen gemessen werden.

Slammingerscheinungen werden mit vorhandenen CFD-Tools simuliert. Zur Ermittlung von Slamminghäufigkeiten dient das Programmsystem UTHLANDE. Für eine schnelle Abschätzung von Slammingdrücken hat die SVA ein vereinfachtes Verfahren entwickelt. Es basiert auf Ergebnissen systematischer  Modellversuche und erlaubt die Bestimmung des Slammingdruckes bei beliebiger Spantform, bei gegebener Fahrtgeschwindigkeit und Lage des Schiffes. Wichtiger Parameter ist dabei die Normalgeschwindigkeit zwischen Rumpf und Flüssigkeit am interessierenden Punkt der Rumpfoberfläche. Bereiche mit Lufteinschluss (Bodenslamming) können damit nicht erfasst werden.

Als Ergebnis der Bearbeitung verschiedener FuE-Vorhaben [1], [2], [3] verfügt die SVA über einen großen Erfahrungsschatz bei der Untersuchung von Slammingerscheinungen.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Fröhlich, M.: Einsatz eines Schwingungsoszillators auf hydraulischer Basis zur Untersuchung der Slammingbelastung von Schiffen, STG-Sprechtag „Schiffe im Seegang“, Hamburg, Oktober 1998
[2]    Fröhlich, M.: Slammingbelastungen von Schiffen, Freitagsvorlesung an der TU-Berlin, 25.06.99
[3]    Fröhlich, M.; Hellwig, K.: Numerical and experimental investigations of slamming loads for fast ships, HIPER`01, Hamburg May 2001
[4]    Fröhlich, M.; Hellwig, K.: Untersuchungen zum Slammingverhalten schneller Schiffe, 6. Schiffbautag Mecklenburg-Vorpommern, Rostock, Oktober 2002

Trimmopt_DiagrammTrimmopt_Schiff

Der Trimm eines Schiffes beeinflusst den Leistungsbedarf. Durch eine optimale Trimmlage können oft mehrere Prozent Leistungseinsparung erreicht werden.

Trimmoptimierungsversuche wurden bereits  in den 1970er bis 1990er Jahren stardardmäßig durchgeführt. Im Rahmen des FuE-Projektes „Effektive Trimmoptimierung für Frachtschiffe“ [1] ist es gelungen, die Prognoseverfahren möglicher Leistungseinsparungen (rechnerische Trimmoptimierung) und die experimentelle Trimmoptimierung zu verbessern. Die Verfahren verfolgen unterschiedliche Ansätze von rein statistischer Auswertung umfangreicher Modellversuchsserien bis zur CFD-Simulation ganzer Trimmlagen-Matrizen:

  • Prognose des Widerstandes des Schiffes für unterschiedliche Tiefgänge mit oder ohne Kombination verschiedener Trimmzustände mit dem Widerstandsverfahren nach Danckwardt und/oder der SVA-LSR Methode
  • Formeln zur Erfassung des Einflusses von Teilabladung und/oder Trimm auf die Propulsionskennwerte
  • Hybrides Verfahren: Prognose von Widerstand und Propulsion für Teilabladung und/oder Trimm durch Kopplung von Teilen des Widerstandsverfahrens von Danckwardt / SVA-LSR Methode mit Versuchsergebnissen
  • Trimmoptimierung durch Modellversuche (EFD)
  • Trimmoptimierung durch CFD-Berechnungen (CFD)

Im Ergebnis stehen Informationen zur Verfügung, durch die die Schiffsführung den optimalen Trimmzustand im Schiffsbetrieb einstellen kann. Der 3D-Contourplot zeigt exemplarisch die Abhängigkeit der Leistungseinsparung von Verdrängung und Trimmlage.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Heinke, C.: Effektive Trimmoptimierung für Frachtschiffe, Bericht 4394, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH, Juni 2015, Abschlussbericht

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Schiffsneubauten müssen die EEDI bzw. EEOI Anforderungen erfüllen und vorhandene Schiffe werden häufig umgestaltet, um den ökologischen und wirtschaftlichen Anforderungen gerecht zu werden.

Bugwulst Retro-fit

Zu Minimierung der Kraftstoffkosten werden Schiffe heute bei niedrigeren Geschwindigkeiten betrieben als noch vor einigen Jahren. Während bei einem 5 Jahre alten Containerschiff die Froude-Zahl bezogen auf die Designgeschwindigkeit in einem Bereich von 0,21 bis 0,25 liegt, fahren diese Schiffe jetzt in einem Froude-Zahl Bereich von etwa 0,14 bis 0,16. Allein die Geschwindigkeitsreduzierung führt bereits zu deutlichen Kraftstoffeinsparungen. In den meisten Fällen ist dann jedoch der Bugwulst nicht für den neuen, reduzierten Geschwindigkeitsbereich optimal.

Der Originalbugwulst, der für eine Froude-Zahl von 0,21 optimiert worden ist, aber bei einer reduzierten Froude-Zahl von 0,145 fährt, erzeugt ein ungünstiges Wellensystem. Die Anwendung eines optimierten Bugwulstes für die neue, reduzierte Geschwindigkeit führte hier zu einer Leistungseinsparung von bis zu 8%.

Die SVA Potsdam nutzt für die Bugwulstoptimierung das FRIENDSHIP-Framework. Auf Basis der parametrisch beschriebenen Geometrie werden strukturierte und unstrukturierte Gitter-Topologien für CFD-Berechnungen generiert. Die numerischen Berechnungen werden mit dem Programm ANSYS CFX durchgeführt. In einer Mehrpunkt-Optimierung werden die Schiffslinien mit der erforderlichen Leistung und der Homogenität des Nachstromfeldes als Zielfunktion optimiert.

Propeller Re-Design

Auf Grund der geringeren Schubbelastung des Propellers beim Slow-Steaming ergeben sich größere Freiräume für den Propellerentwurf. Durch die Vergrößerung des Propellerdurchmessers, die Verringerung der Drehzahl, die Verringerung der Flügelzahl und des Flächenverhältnisses des Propellers sowie die Feinoptimierung der Propellerflügel können deutliche Wirkungsgradverbesserungen gegenüber dem vorhandenen, für hohe Schiffsgeschwindigkeiten entworfenen Propeller erreicht werden. Bei großen Containerschiffen werden z.B. beim Übergang zum Slow-Steaming die 6-flügeligen Propeller durch 5-flügelige Propeller ersetzt. Bei gleichzeitiger Vergrößerung des Propellerdurchmessers um bis zu 5% und Verringerung des Flächenverhältnisses um ein Drittel konnten Leistungseinsparungen von 9 bis 14% in Versuchen nachgewiesen werden.

Bei den deutlich langsameren Bulk Carriern werden zunehmend 4- und 3-flügelige Propeller sowohl für Re-Design Projekte wie auch für den Neubau des Schiffes entworfen und untersucht. Die Flächenverhältnisse dieser Propeller liegen im Bereich von AE/A0 = 0.35 bis 0.45. Systematische Untersuchungen haben gezeigt, dass die 3-flügeligen Propeller zumeist geringfügig höhere Druckschwankungsamplituden in der ersten Flügelzahlharmonischen erzeugen. Wenn der 3-flügeligen Propeller mit einem ausreichenden Skewwinkel entworfen wird, liegen die Druckschwankungsamplituden in den höheren Flügelzahlharmonischen in dem Bereich von Propellern mit höheren Flügelzahlen.

 

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Heinke, H.-J.; Lübke, L. O.: Maßnahmen zur Energieeinsparung, Schiff & Hafen, Nr. 10, 2014

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