ARCHIEF
Windkri1te an flberwasserschi!fen
Von Dipl.-Ing. B. Wagner, Hamburg1. Einführung
Die Entwicklung der Aerodynamik ist eng mit den Fortschritten der Luftfahrt verknüpft und fiel zeitlich etwa mit dem Niedergang der Segelschiffahrt zusammen. Von den Fortschritten der Aerodynamik konnten also die Segelschiffe nichts mehr profitieren (um so mehr allerdings die Segelyachten). Die Schiffsaerodynamik begann mit Versuchen, den zusittzlichen, durch Rumpf
und Aufbauten bei Anströmung von vorn entstehenden Widerstand zu ermitteln und zwar sowohl
experimentell im Windkanal (McEntee 1916 [2], Fottinger1924 [3]) als auch durch Rechnung
(Schocneich 1911 [1], Biles 1927 [4]).
Die ersten Mehrkomponentenmessungen an Uberwasserschiffsmodellen wurden kurioserweise im Schlepptank durchgeführt, wobei das Modell umgekehrt unter einem Floß befestigt war (Hughes 1930 [5, 6], vgl. auch [7, 8, 9, 10]). Das hauptsächliche Interesse galt der Längskraft
(Luftkraftkoxnponente in Schiffslängsrichtung), die ihr Maximum meist jedoch nicht hei
Anströ-muiìg genau von vorn hat.
Iti der Folgezeit wurden ausschließlich Windkanalversuche durchgeführt, wobei die versehie.
denartigsten Versuchsmethoden Anwendung fanden . Mc En t e e [2] hatte ein vollständiges Modell
in Windkanalmitte an Drähten aufgehängtund den Teilwiderstand des Tnterwasserschiffes abge
zogen. Föttinger hatseine.Modelle in der Randaone des Windkanals untersucht und das Unter-wasserschiff abgedeckt [3]. Hemke und Carson hatten 1936 die Modelle auf einer Grundplatte
angebracht und in Kanalmitte an Drähten gehaltert [11].
Nach de'm Kriege wurde in Japan eine Reihe vonMehrkomponentenmessungen durchgeführt, wobei die sogenannte Doppelmodellmethode angewandt wurde : ein Modell wurde mit seinem t Spiegelbild" in der Wasserlinie verbunden mid an Drähten in Windkanalinitte aufgehängt [12,
13] ; zum Teil wurde in der Symmetrie- (Wasserlinien-)Ebene eine Grundplatte angebracht [16]. Neuere Messungen wurden im Randhereich des durch eine Ebene (Grundplatte) begrenzten
Wind-kanalstrahls durchgeführt. Die Modelle waren entweder an Drähten dicht oberhalb der Grund-platte gehaltert (Shearer-Lynn [19]) oder auf einer in die Grundplatte eingelassenen
Dreh-scheibe befestigt (Long [18]). Die Schiffsmodelle befanden sich dabei in einer der natürlichen Windverteilung über der See mehr oder weniger ähnlicheninhomogenen Strömung.
Es liegen also eine Mengè Ergebnisse von Einzelversuchen vor, die unter sehr verschiedenen
Versuchsbedingungen erzielt wurden. Der größte Teil dieser Versucheist - teilweise neu
ausge-wertet - in einheitlicher Darstellungsweise in den Institutsberichten Nr. 113 (1963, [23]) und
Nr. 157 (1965, [24]) enthalten. Die Analyse dieserErgebnisse zeigte, daß nur systematische
Ver-suche allgemeinere Kenntnisse über die Windkräfte an Schiffenvermitteln können. Diese
Ver-suche müssen einheitlich mit einer Methode durchgeführt werden, die auf große Schiffe
iibertrag-bare Ergebnisse erwarten läßt. Dazu soll diese Arbeit einen Beitrag leisten.
2. Geometrische Verhältnisse von tiberwasserschiffen
Die Vielfalt der möglichen und auch ausgeführten t)berwasserschiffsformen bedingt eine
mög-lichst klare Definition kennzeichnender Abmessungen und Abmessungsverhältnisse. Diese
Ab-messungen sollen leicht bestimmbar sein, da sie u. a. als Bezugsgrößen für die in der Form dimen. sionsloser Beiwerte dargestellten Versuchsergebnisse dienen.
2.1 Hauptabmessungen (vgl. Abb. 1). Länge über alles (L04): ist die einzige direkt meßbare
Länge am Schiff. Die Wasserlinienlänge (LWL) hat demgegenüber den Nachteil, vom Tiefgang des Schiffes abhängig zu sein.
Breite (B): maximale Breite des Schiffsrumpfes über Wasser.
Höhe (H): Es gibt keine meßbare Höhe, die zugleich aerodynamischirgendeine Bedeutung
hätte: die maximale Höhe würde z. B. meist durch eine Mast oder Schornsteinspitze festgelegt.
-Lab.
y. Scheepwde
Tecimjc
Hogeschooj
ii
ÛberwciserloterolHòche A L
Teilliochen Runipl und tong- Teitilochen gedrungene
qeairecicte Korper iorper
Abb. I. Definitionoskizzo: Ilauptabmessungen und BozugofiSchen von Modell bzw. Schiff.
2.2 Verhltniszahlen. Aerodynamisch gesehen ist das Uberwasserschiff in seiner Gesamtheit ein
Körper kleinen Seitenverhältnisses. Dieses Seitenverhältnis A = 2H2/AL kann für das
Über-wassersehiff wegen des Fehlens einer geeigneten Höhe H nicht definiert werden. Setztman 11 =
BL,,,, so erhält man einen dem Seiteríverhältnisiihnliehen Vergleichswert: 2BLm2/AL 2AL/LOA = 2HLm/LOA, das ,,Höhen-Längen-Verhältnis" des TJberwasserlateralplans. In ähnlicher Weise
kann definiert werden: 2Ax/B2= 2Hxrn/B, das ,,Höhen-Breiten-Verhältnis" des
Lufthaupt-spantes. In der Aerodynamik wird ferner das ,,Dickenverhältnis" eines Strömungskörpers benutzt. Wir definieren:LOA/B, das Längen-Breiten-Verhältnis.
L.J
Windkräf te an Uberwassorschiffen 227
Hier sollen als Vergleichswerte die ,,mittlere Lateraiplanhöhe" BLm= AL/LOA und die
mitt-lere LufthauptspanthöheHxm = A 1/Bdefiniert werden.
Lateraiflache (AL): ist die Projektionsfliiche des Uberwasserschiffes auf die Mittschiffsebene
(Längsebene). Man kann sie z. B. in Flächenanteile des Rumpfes (AL R), der Auf bauten und der reinen Widerstandskörper (z. B. Masten) aufgliedern (s. u.!).
Lufthauptspantfläche (Ax): ist die Projektionsfläche des tTberwasscrschiffes auf die
Quer-ebene.
L LOA
Abb. 2. Modell des Küstenmotorschiffes im Windkanal (Ballast, unvortrimnit).
Das Verhältnis AL/A x von 1Jberwasserlateralfläche zu Lufthauptspantfläche istvom
Schiffs-typ bzw. der Art und Länge der Aufbauten abhängig. Es kann als Maß für den ,,Auflösungsgrad" des Ûbersvasserschiffes dienen, hängt aber stark von LOA/Bab: AL/Ax = (LOA HLm)/(BH xmL Dagegen könnte man Nj., rn/Hx ,n A L/(HX,,, LOA)als , ,Völligkeitsgrad des tberwasserlateral
-plans" deuten.
AXA/AX und AiR/AL geben die Anteile der Rumpfprojektionsflächenan Lufthauptspant bzw.
tberwasserlateralfläche an.
2.3 Weitere Einflußgrößen. Mit obengenannten Abmessungen und Verhältniszahlen nicht aus zudrücken sind die folgenden, meist durch den Schiffstyp bedingten Größen:
Form des Rumpfes: Anteil des parallelen Mittelschiffes, Bug- oder Heckform (z. B.
Spiegellieck).
15
LuthouptsporM½che x
TetFtachen Maten und reLne Wdersondslcòrper
228. Windkräfte an )berwasserschiffen
Lage und Form des Brückenfrontschottes: Neigung, stufenförmiger Aufbau usw. Auf bautentyp: Lange des durchgehenden Aufbaus, Aufspaltung inTeilaufbauten.
Länge und Höhe der Back: Einfluß auf die Abschirmwirkunggegenüber Ladegeschirr,
Aufbau usw.
Art und Umfang des Ladegeschirrs: Stellung der Ladebäume. Art und Umfang der kleinen Ausrüstungsteile.
Von Einfluß sind ferner Trimm und Krängung der Schiffe.
2.4 Gliederung des Uberwasserschifles in Teilkörper (vgl. Abb. 1). Das tYberwasserschiff setzt sich aus Teilkörpern unterschiedlicher aerodynamiseher Eigenschaften zusammen:
Langgestreckte 1(örpr kleinen Seitenverhältnisses (Rümpf e, langeAufbauten). Kurze gedrungene Körper (Aufbauten, Back, Deckshäuser,Windenhäuser usw.). Reine WTiderstandskörper (Masten, Ladebäume, Lüfter, verschiedene Ausrüstungsteile).
a
_i
b Abb. 3. Wlndkanahnodell FrachtschIff 4500 tdw (,,beladen").a) Varianto 1; b) Variante 2.
Durch die Vielzahl der Kombinationsmöglichkeiten dieser Körper, die sich außerdem gegensei. tig beeinflussen (Interferenz), sind die Schwierigkeiten einer theoretischen Analyse der Versuchs-ergebnisse bedingt.
3. Versuchsprogramm
Da es bisher an systematischen Unterlagen über Windkräfte an Schiffen fehlte, sollten im
Rah-men des Vorhabens ,,Windkräfte an Schiffen" möglichst viele verschiedene tberwasserschiffe unter gleichartigen Versuchsbedingungen untersucht werden (vgl. auch 11. I.T.T.C. Tokio Okt.
1966, Verhandlungen über die Fahrtleistungen von Schiffen).
Die Versuchsmodelle wurden deshalb so konstruiert, daß sie die Möglichkeit umfangreicher
Aufbautenvariationen boten (Baukastenprinzip). Die untersuchten Schiffstypensollten repräsen
tativ für moderne Handelsflotten sein. Ferner wurden einigehäufige Spezialschiffstypen mit
teil-weise extremen Aufbautenanordnungen in das Versuchsprogramm aufgenommen:
Fr acht se hi ff s modelle
Küstenmotorschiff 600 tdw (Abb. 2), Frachtschiff 4500 tdw, 2 Varianten (Abb. 3),
Frachtschiff lo 000 tdw, 8 Varianten (Abb. 4 u. 5),
Tanker 50 000 tdw, 2 Varianten (Abb. 6 u. 7).
Fährschiff 7000 BRT und Fahrgastschiff
Grundlage des Modells war das 1961 gebaute Fährschiff ,,Kronprins Hara]d"; unter Beibehaltung
des Rumpfes und der unteren Aufbaudecks wurde das Modell zu der Variante ,,Fahrgastschiff" um-gebaut (vgl. Abb. 8 u. 9).
Spezialschiffstypen
Schlepper, 2 Varianten (Modell des 2750-PS.Seeschleppers ,,Atlas", s. Abb. 10, wurde in einen
Hafenschlepper umgebaut),
Tragflächenboot Supramar PT 50 (Abb. li),
Hecktrawler 040 BRT, 2 Varianten (Abb. 12),
Forschungsschiff Meteor" (Abb. 13).
Die Versuche mit dem außerdem untersuchten Kühischiff .,,Angelburg" (Schaukastenmodell)
hatten den Zweck, den Einfluß kleiner Bauteile auf die Luftkräfte zu ermitteln (s.u.!) (Abb. 14).
Die Fraehtschiffsmodelle wurden auf zwei Tiefgängen gemessen. Bei den meisten Modellen wurde auch der Rumpf ohne Aufbauten untersucht.
Aus der übersicht auf S. 229 gehen Einzelheiten über die Modelle und das Versuchsprogramm
Übersicht ii ber Jllodelldatem und Vers-uchsprograniìn (Abmessungen in in bzw in2) Modell Maßstab Variante LOA B T AL -1L LOA Abb. Gemessene Komponenten Schiff llumpt ,/,,,,, A LOA B Kümo, (600 tdw) 1:50 beladen 1,000 0,167 0,070 0,0713 2,97 0,143 5,98 0,071 3
-1,091 Ballast' 1,000 0,167 0,042 0,0962 3,35 0,192 5,08 0,096 2 3 -1,063 Frachtschiff, (4500 tdw) 1:88 beladen 1 1,293 0,169 0,073 0,1050 3,83 0,126 7,65 0,081 3a 3 3 1,073 Ballast' 1 1,293 0,169 0,044 0,139 4,30 0,167 7,65 0,108 -3 3 1,050 beladen 2 1,293 0,169 0,073 0,1044 3,71 0,125 7,65 0,081 3b 3 -1,078 Ballast1 2 1,293 0,169 0,044 0,1385 4,18 0,166 7,65 0,107 3 -1,055 Frachtschiff, (l0000tdw) 1:125 beladen 1 1,287 0,160 0,066 0,092 3,96 0,111 8,03 0,072 4, 5a 3 3 1,091 Ballast2 1 1,287 0,160 0,039 0,123 4,48 0,149 8,03 0,006 -4 3 1,064 beladen 2 1,287 0,160 0,066 0,092 3,96 0,111 8,03 0,072 Sb 3 1,091 Ballast' 2 1,287 0,160 0,039 0,123 4,48 0,149 8,03 0,096 -3 -1,064 beladen 3 1,287 0,160 0,066 0,094 3,06 0,113 8,03 0,073 5e 3 -1,090 Ballast' 3 1,287 0,160 0,039 0,125 4,48 0,151 8,03 0,097 -3 -1,063 beladen 4 1,287 0,160 0,066 0,004 3,92 0,113 8,03 0,073 5d 3-1,090 Ballast' 4 1,287 0,160 0,039 0,125 4,43 0,151 8,03 0,097 -4 -1,067 beladen 5 1,287 0,160 0,066 0,083 3,60 0,100 8,03 0,065 5e 3 -1,102 Ballast' 5 1,287 0,160 0,039 0,114 4,18 0,138 8,03 0,089 -3 -1,070 beladen 6 1,287 0,160 0,066 0,087 4,40 0,105 8,03 0,068 5f 3 -1,097 Ballast' 6 1,287 0,160 0,039 0,118 4,91 0,143 8,03 0,092 -3 -1,067 beladen 7 1,287 0,160 0,066 0,087 4,50 0,105 8,03 0,068 5g 3 -1,097 Ballast' 7 1,287 0,160 0,039 0,119 5,01 0,143 8,03 0,092 -3 -1,067 beladen Ballast' 8 8 1,287 1,287 0,160 0,160 0,066 0,039 0,087 0,119 4,57 5,07 0,105 0,143 8,03 8,03 0,068 0,092 51, -3 3
-1,097 1,067 Tanker, (50 000 tdw) 1: 185 beladen 1 1,220 0,168 0,061 0,056 3,98 0,075 7,24 0,046 6 3 -1,152 Ballast' 1 1,220 0,168 0,037 0,084 4,63 0,113 7,24 0,069 6 3 3 1,096 beladen 2 1,220 0,168 0,061 0,056 3,37 0,075 7,24 0,046 7 3 -1,152 Ballasta 2 1,220 0,168 0,037 0,084 4,06 0,113 7,24 0,069 -3 -1,096 Fiilìrschiff (7000 BRT) 1:105 1,321 0,172 0,050 0,177 5,76 0,203 7,70 0,134 8 4 3 1,044 Falìrgastschiff 1,321 0,172 0,050 0,165 5,69 0,189 7,70 0,125 9 4 -1,046 Seeschlepper Atlas" 1:40 0,848 0,208 0,088 0,089 2,65 0,246 4,08 0,105 10 3 3 1,058 Hafcnschlepper 0,848 0,208 0,088 0,087 2,47 0,242 4,08 0,103 -3 -1,060
4. Versuchsrnethode
4.1 Wahl der Yersnchsmethnde. Für die Wahl der Versuchsmethode waren folgende Gesichts. punkte entscheidend:
Untersuchung der Modelle in einer möglichst horn og e n e n Str ö mu n g. Die Modelle der
ver-schiedenen Schiffstypen wurden aus Gründen einer
guten Strahlausnutzung etwa gleichiang, also in
unterschiedlichem Maßstab hergestellt. Wollte man die Modelle in inhomogener Strömung untersuchen,
deren Gradient ähnlich dem der natürlichen Wind. verteilung über der See ist, müßten entweder alle Modelle im gleichen Maßstab hergestellt werden, oder der Windgradient müßte jeweils dem Modell. maßstab angepaßt werden. Abgesehen von den
Schwierigkeiten der Erzeugung einer inhomogenen Strömung mit gewünschtem Gradienten, wären die
Ergebnisse unmittelbar nur für ein in ebefind-liches Schiff anwendbar. Der Gradient der das Schiff treffenden Strömung hängt stark vom
Ver-hiütnis der wahren Windgeschwindigkeit zur
Fahrt-geschwindigkeit (der Fahrtwind ist homogen!) und vom Winkel zwischen Fahrtrichtung und Wind-richtung ab. Die Untersuchung der Modelle in ho-mogener Strömung erschien auch aus Gründen der
theoretischen Auswertung und der Vergleichbarkeit
der Ergebnisse untereinander wünschenswert. Die Auswirkung eines Gradienten der Relativanströ. 'o mung könnte nachtriiglich berücksichtigt werden
(vgl. 4.4.3).
Eine(Wasserlinien.)Ebeneistvongroßem
Einfluß auf die Ausbildung der Strömung hinter
dem Schiff (und damit der Kräfte am Schiff)
beson-(1ers bei großen Anströmwinkeln (vgl. Gutsehe [21]). Die Untersuchung von Doppelmodellen in
Strahimitte würde also zu fehlerhaften Ergebnissen
führen. Andererseits bedingt die Untersuchüng des Modells auf einer Platte eine kleine
(unvermeid-liche) Anlaufgrenzschicht.
Hat man, wie das Institut für Schiffbau, nur
einen verhältnismäßig kleinen Windkanal zur
Ver-fügung, so ist eine besonders gute Strahlausnut.
zu n g erforderlich. Da die Strahlgeschwindigkeit durch Leistung und Strahlquersclmitt des Wind-kanals festliegt, müssen die Modelle zur Erzielung großer Reynoldszahlen möglichst groß ausgeführt werden. Dem sind Grenzen gesetzt, da bei zu
gro-ßer Strahlversperrung die Megro-ßergebnisse verfälscht werden.
Eine gute Strahlausnutzung wird durch
Umfor-mung des Kreisstrahis in einen Reehteckstrahl erreicht, in dessen Randzone das Modell
unter-sucht wird. Doppelmodelle würden doppelte Strahl-versperrung ergeben!
Die Versuchseinrichtung sollte die Unter-suchung der Modelle bei beliebigen, auch nach
to CO
S
QQ I QQQQ SS Q to S QCO S Oc 00. r roi i i o co cc 'dl CO .0--
01-
CO -'_4 c-1 Q'l
Q' Q Q C'l Q ._41 QQ --©Q_ Q-
t.Q o-
CO'
-
O''
- ._ Q0I QQt-5
Qi-S
b o 01 CO C'1 Q I COQ tOCO --QQ OD CD O 01 CO C' e-1t'Q
CO c-i 'd'---5
'dl '1 CO t Q C') C') Q 01 CD C') coo 01CO..
QQ OD '-Q 'O CD Q Q Q toS
Q QQI-t-,-SS
QQ QS
Q QS
Q Q CD 01 Q Q CD C') Q t-t-COCO QQ Q CO Q Q to to CD CO to Q CO '_ 'd''dl t-t-. 010-1 CO CD Q.;
Q CD -.. O C C, C)O ,-401 .0 C, -o- Q 'o, Q C-
toL-
-= C.) Q tO 0 . (.4-.
E-1'
.Q
u-: C .0 t-.r
230 Windkräfte an Uberwassorsehiffon9
Windkräfte an therwassersehiffon
IIHLIL
IL!i1
4
.L 1,L1_i
Abb. 4. FrachtschIff 10 000 tdw, Variante i (Modelizeichining).
jJ
LL.L
Abb. 5. Variation der Aufbautenanordnung, Frachtschiff 10 000 tdw (,beladen"), Varianten l-8.
Abb. 6. Tanker 50 000 tthv, Variantc I (Moddllzeichnung).
JJ
Abb. 7. Windkanalmodeli Tanker 50 000 tdw, Variante 2 im Windkanal.
231
232 Windkräfto an Uberwassersehiffen
Abb. 10. Schleppermodell (Seeschlepper).
Abb. i 2. Windkanairnodefl Hecktrawler.
Abb. 8. F8.hrschiff 7000 BRT (Moddllzelchnung).
Abb. 9. Fabrgnstschiffmodell lin Windkanal.
r
Abb. 14. Modell Kühischuff ,Angelburg'.
Abb. Il. Nodefl des Tragilitchenbootes Supramar PT 50 im Vindkanal.
Windkräfta an tYberwassorschiffen 233 Beginn der Versuche noch wählbaren Tiefgängen, Trimmiagen und Krängungen gestatten. Auch die Untersuchung vollständiger Schaukastenmodelle sollte möglich sein.
400
Abb. 15. Versuchseinrichtung: Blick über die Grundplatte mit Drehscheibe a f dic
Ilechteckübcrgnngsdüso des \Vindkanals.
4.2 Versuchscinrichtung (vgl. Abb. 15). Die Versuchseinrichtung wurde schon verschiedentlich beschrieben [25, 26].
Der Windkanal des Instituts für Schiffbau hat einen kreisförmigen Austrittsquerschn itt
der festen Düse von 2 m Durchmesser. Für die beschriebenen Versuche wurde der
Austrittsquer-schnitt mit Hilfe einer R e ch tee kil ber gangs düse in einen RechteckquerAustrittsquer-schnitt umgeformt
(1,750 m breit und 1,05 m hoch). Zur Erzie-lung paralleler Stromfiiden waren am
Düsen-austritt seitlich Leitbieche angebracht.
t
Die anschließende kastenförmig versteifte
Bodenplatte (2,40 m breit und 3,90 m
lang) begrenzt den Rechteckstrahl nach unten. Die Kanalgrenzschicht wurde di.iieh Anbringen der Bodenplatte 50 mm ober-halb des unteren Dilsenrandes abgeleitet. Dadurch ist eine bis auf dieAnlaufgrenz-schicht von 26 mm Dicke homogene
Strahl-geschwiridigkeitsverteilung erzielt worden
(vgl. Abb. 16).
Im Abstand X8= 1,375 m vom
Düsen-austritt ist eine Drehscheibe von 1,70 m Durchmesser mit 2 mm Spalt niveaugleich in die Bodenplatte eingelassen. Zur
Auf-nahme der Modelle dient die Modell wan n e
(1,50 X 0,30 m) in Drehscheibenmitte, die einen in der Höhe verstellbaren Boden be- o
sitzt, auf dem das zu untersuchende Modell
befestigt wird. Je nach Einstellung des
Wannenbodens können die Modelle bei ver-schiedenen Tiefgitngen und Trimmlagen(oder auch Krängungen) untersucht werden. Die Wanne wird dann jeweils bündig mit der Drehscheibe durch der Wasserlinie angepaßte Schablonen abgedeckt, die am Modell dicht mit Plastilin angeschlossen werden. Zur Messung der Rollmomentc bei einigen Modellen wurde eine Rollmomentenwaage in die Modeliwanne eingebaut: Hierzu wurde durch zwei Stahl-federn mit DMS-Streifen eine zweite, das Nodell tragende Platte mit dem verstellbaren Boden der Modellwanne verbunden. Die Abdichtung zwischen Modell und Wasserliniensehablone erfolgte jetzt durch elastische Schaumstoffstrcifen. Die elastischen Eigenschaften des Schaum.
0ú5s
i
Abb. 16. Staudruckprofil tibor Bodenpiatte. Strahlmitto = O.
Bo,en. atte
100
234 Windkräfto an Uberwassorschiffen
stoffs wurden dadurch berücksichtigt, daß die Eichung der Rolirnomentenwaage mit eingebautem irnd in der Wasserlinie abgedichtetem Modell erfolgte.
Ein dreiarmiger Konsoistern trägt die Drehscheibe und verbindet sie mit der Drehvorrich-tung (Spindeltrieb) der Dreikomponenten -Federgelenk-Waage. Eine größere Vertikal-belastung der Waage wird durch den Styropor- Schwimmer in einem Schwimmergefäß mit
Wasser vermieden.
Die Waage besitzt drei elektrische Kraftmeßdosen auf DMS-Basis (Hottinger-Baidwin) mit 20 kp Meßbereich, die über einen Meßstellenumschalter durch einen Trägerfrequenz-Meßverstärker (Hottinger-Baldwin KWS/II-5) gespeist werden.
Hinter der Drehscheibe wird der Strahl durch einen,,Slotted Wall " (Schlitzwandstrecke aus Kunststofflatten) von der Form des Austrittsquerschnitts der Rechteckdüse bis kurz vor den
Auffangtriehter des Diffusors geführt. Der sechzehneckige Auffangtrichter hat einen Außendurch-messer von 2,50 m.
4.3 YersuchsdurcMiihrnng. Die Modelle wurden mit gewünschtem Tiefgang und Trimmzustand
in die Drehscheibe eingebaut, und zwar so, daß LOA!2 der Mitte der Drehachse entsprach. Die
Untersuchung der Frachtschiffsmodelle erfolgte außer bei dem Tiefgang T (beladen) auch fur den
Ballasttiefgang unvertrimmt, für den vereinfachend Taiag 0,60 T gesetzt wurde. Der Einfluß des Trimms wurde für den Tanker (0,5° Trimm) und das 10 000-tdw-Frachtschiff (1° Trimm) auf .Ballasttiefgang geprüft.
Die verschiedenen Anströmwinkel des Modells wurden durch Drehen der Drehscheibe
er-reicht, und zwar in Intervallen von 5° oder lOO von O bis l800, für zur Mittellängsebene un-symmetrische Modelle von O bis 3600.
Bei der Messung wurde der am Betzmnometer angezeigte Vorkammerdruckp konstant
ge-halten (Staudruck q = i ,0l pr). Die Messung erfolgte im allgemeinen bei zwei Vorkammerdrücken Pv 25 bzw. 50 kp/m2, denen Geschwindigkeiten von ca. 20 bzw. 29 rn/s entsprachen.
Aus den Ablesungen der Meßwerte der drei Aufnehmerdosen ergaben sich zunächst d r e i Korn
-p o n e n t e n (Widerstand , Querkraft, Giermoment ) . Nach Einbau der Rolimomentenwaage wurd e für einige Modelle als vierte Komponente das Rolimoment gemessen.
4_4 Meßgenauigkeit und Korrektur der Meßwerte. Nachfolgend sollen die Korrekturen
disku-tiert werden, die an den Meßwerten vorgenommen wurden oder die bei der Anwendung der
vor-liegenden Versiichsergebnisse beachtet werden müssen.
4.4.1 Meßgenauigkeit. Die Meßwerte konnten an der Skala des Meßverstärkers im auge-meinen auf ±0,5 Skalenteile (Skala mit 100 Teilstrichen) genau abgelesen werden, sofern nicht
stärkere Ablösungserscheinungen (im Bereich der Queranstromung) zu großen Meßwertschwan-kungen führten. Die Meßgenauigkeit entsprach damit ±0,5% des zum jeweiligen Meßbereieh
ge-hörigen maximalen Meßwertes. Der große Abstand der beiden Widerstandsmeßdosen von der Drehachse macht die Waage zur Messung großer Giermomente geeignet, führt aber andererseits
bei der Messung kleiner Momente zu geringerer Meßgenauigkeit.
4.4.2 Kräfte an der Drehscheibe. Von den gemessenen Gesamtkräften auf Modell und
Drehscheibe wurden die getrennt ermittelten Teilkräfte auf die Drehscheibe abgezogen. Diese sind verhiiltnismäßig klein. Es handelt sich um Reibungskräfte und eine Kraft, die sich aus der
Druck-verteilung im Spalt zwischen Drehscheibe und Bodenplatte oberhalb der ringförmigen
Wasser-dichtung ergibt. Die Ermittlung der Drehscheibentei]kräfte erfolgte nach Anbringen einer
Modell-attrappe dicht über der Drehscheibe, die eine ähnliche Umströmung der Drehscheibe bewirkte, wie sie bei der Kraftmessung am Modell auftritt.
Die erforderlichen Korrekturen betrugen (f tir pv = 50 kpjm2) z. ]3. für den Widerstand 40 bis
525 p und für die Querkraft O bis 200 p. Die maximalen Widerstandskorrekturen für die Dreh-scheibe schwankten zwischen 7% (Fahrgastschiff) und 24% (Tanker, beladen) des jeweiligen maximalen Meßwertes und betrugen für Frachtsehiffsmodelle S bis 13%. Die entsprechenden Querkraftkorrekturen lagen bei 4% (Fahrgastsehiff) bis 22% (Tanker, beladen) der jeweiligen
maxi malen Querkraft.
4.4.3 Korrektur der An laufgre n z schicht. Bei der gewählten Versuchsanordnung läßt sich
die Anlaufgrenzschicht von 26 mm Dicke (auf Mitte Drehscheibe), vgl. Abb. 16, nicht vermeiden.
Oberhalb dieser Grenzschicht herrscht eine weitgehend homogene Geschwindigkeitsverteilung.
Da die Modelle annähernd gleichlang sind und demzufolge in verschiedenem Modellmaßstab
her-gestellt wurden, wirkt sich die bei allen Modellen gleichgroße Grenzschicht verschieden auf die
Grenz-Windkriif te ari Uborwasserscliiffen 235 schicht korrigiert werden, d. h., die Ergebnisse müßten auf homogene Geschwindigkeitsverteilung umgerechnet werden. Diese Umrechnung kann angenähert folgendermaßen erfolgen:
Die Ergebnisse der Modellversuche werden in der Form dimensionsloser Beiwerte gegeben, die
auf den Staudruck außerhalb der Grenzschicht q bezogen sind. Diese Beiwerte müßten auf den
mittleren Staudruck qn, (integriert über die Modelihöhe, wobei sich wiederum die unter 2. definierte mittlere Höhe 11Lm anbietet) bezogen werden. Der Korrekturfaktor würde sich zu q/q ,,, ergeben und ist in der tbersieht über Modelidaten und Versuchsprogramm (S. 229) mit angegeben worden.
Für vergleichende Darstellungen wurden entsprechend korrigierte Beiwerte benutzt.
In ähnlicher Weise könnte ein vorgegebener Windgradient berücksichtigt werden: die Heiwerte für homogene Strömung müßten mit dem Verhältnis des mittleren Staudruckes der inhomogenen
Strömung (integriert über die Modeilhöhe) zum Staudruck der homogenen Strömung multipli-ziert werden. Zur tberprüfung dieser Korrekturmethode könnten Windkanalversuche mit
Schiffsmodellen in inhomogener Strömung nützlich sein (vgl. Shearer-Lynn [19]).
4.4.4 Korrekturen für die Strahiversperrung. Die Meßwerte enthalten keine
Korrek-turen für den Einfluß der Strahlversperrung auf Staudruck und wirksame Schrüganströmung am Modell. Dieser Einfluß kann nach den Ergebnissen der Untersuchung von Rechteckplatten irnd
Schiffssilhouetten mit verschiedenen Versperrungsverhältrìissen im gleichen Rechteckstrahl
(If S-Bericht Nr. 160 [27]) abgeschätzt werden. Die Modelle wurden so groß gewählt, daß die für
die Stra.hlversperrung notwendigen Korrekturen verhältnismäßig klein sind.
Für die meisten Modelle lag die Strahiversperrung AL/As zwischen 0,03 und 0,08. Die erfor-derlichen Korrekturen liegen hier innerhalb der Meßgenauigkeit. Höhere Versperrungsverhält-nisse erreichten: Fahrgastsehiff, Fährschiff und Tragflächenboot (ALIAS = 0,094 bis 0,167).
0 10
Abb. 17. Roynoldszahlabhitngigkeit der Widerstandsbeiwerte (korrigiert ür Anlaufgrenzschieht).
Die Querkraftbeiwerte müßten in diesen Fällen um maximal 2 bis 5% erhöht werden. Auch die
Widerstandsbeiwerte im Bereich anliegender Strömung müßten um etwa 5% erhöht werden.
Diese Korrektur liegt jedoch bereits im Bereich der Meßgenauigkeit. Fur vollabgelöste Strömung
ist im Bereich der vorliegenden Strahiversperrungen keine Korrektur erforderlich.
4.4.5 Einfluß der Reynoldszahl. Die begrenzten Strahiquerschnitte der Windkanäle be-dingen einen großen Modellmaßstab. Dadurch können selbst bei sehr hohen möglichen
Strahl-geschwindigkeiten die Reynoldszahlen großer Schiffe im Modellversuch auch nicht annähernd
er-reicht werden:
Modellversuche: R = 1,0 bis 7,0 106, Schiffe (Bft. 6; V 12,3 m/s): = 0,4 bis 2,5V los.
Bei den beschriebenen Versuchen wurden maximale Reynoldszahlen von etwa R6 = V LOA/Y
= 2,710e erreicht. -Hec*trowltr FrochtSC%16 Tonker beIodr - ____ r TonS.r. ecsat 6 ..s.e,irowinr n MtIe Ç Atb.hinnn Fr,nhnth6, bIodn
u
Fohrgot5d,5 ° 1.5 2.0 25 3.0 1.0 15 2.0 2.5 3.010' C0 (Ax) 1.2 1.0 06 0.4 0.2 e COI 12 1.0 0.6 04 DzG Windkräfto an Uborwassorschiffen
Einige Modelle wurden in speziellen Versuchsreihen bei Anströmung von vorn (e = OO) und
seitlich (e = 9Ø0) im Geschwindigkeitsbereich von 12,5 bis 31,0 rn/s untersucht, um den Einfluß
der Revnoldszahl auf den Widerstand zu zeigen. Die Ergebnisse sind in Abb. i 7 dargestellt. Der
Widerstand von vorn Ist stärker von R, abhiLngig : er strebt einem Minimaiwert zu, der zwischen
R = 2,0 und 2,5 1O erreicht wird. Auch der Widerstand bei seitlicher Anströmung nimmt mit
steigender Reynoldszahl ab und erreicht für R,, > 2,0 . 1O ein Minimum. Für Windkanalversuehe mit Schiffsmodellen wäre demnach eine Remo1dszahl von mindestens R5 = 2,0 . 10° erforderlich,
um verläßliche Ergebnisse erzielen zu können. Die Abhiingigkeit des Querkraftbeiwertes C von R ist geringer.
Wegen der starken Reynoldszahlabhängigkeit von Kreiszylindern kann bei Frachtschiffen eine
weitere Widerstandsverminderung auftreten, sobald Masten und Ladebäume in den überkriti-schen Strömungsbereiclì gelangen (R,, = V dlv > 5,0 1O), wozu Relativanströmgeschwindig.
keiten von 9,10 rn/s (Mast 0,80 m Durchmesser) bzw. 24,20 rn/s (Ladebäurne 0,30 rn Durchmesser)
erforderlich sind. Drahtseile gelangen im allgemeinen nicht in den überkritischen
Strömungs-zustand.
Rechnet man den durch Messung ermittelten Teilwiderstand der Masteri und Ladebäume
(Widerstandsbeiwert CD etwa 1,0) auf den Widerstand bei überkritischer Strömung um(CD sinkt auf etwa 0,33), so ergeben sich für das gesamte Schiff bei seitlicher Anströmung im beladenen
Zustand z. B. Widerstandsverrninderungen um S bis 9%. In Wirklichkeit wird nicht an jeder
Stelle die überkritische Geschwindigkeit erreicht, und die wirkliche Verminderung dürfte geringer sein. Im Ballastzustand liegen Masten und Ladebäume in stärkerem Maße in der Wirbeizone über
dem Deck (größerer Freibord), wodurch der Widerstandsanteil des Ladegeschirrs und damit die
mögliche Widerstandsverminderung wesentlich niedriger ist.
4.4.6 Widerstand kleiner Bauteile. Die Windkanalmodelle wurden aus Teakholz herge.
stellt; Schanzkleid, Geländer waren aus Messing. Kleinere Bauteile wurden entweder weggelassen (z. B. Poller, Spille, kleinere Winden, Anker, kleine Lüfter) oder vereinfacht (z. B. Ladewinden, Ankerwinde).
Zur Nachprüfung des Einflusses kleiner Bauteile wurde ein im Institut verfügbares Schaukasten-modell des Kühlschiffes ,,Angelburg" in den Windkanal gebracht (Abb. 14).
Der Original zustand des Modells ließ hohen Windwiderstand erwarten (aufgetoppte Bäume mit entsprechendem laufenden. Gut, umfangreiche Sonnensegeleinrichtung). Nach der Messung wurde das Modell in den Normalzustand" gebracht (Bäume flach an Deck gehaltert, laufen-des Gut, Sonnensegeleinrichtung, Flaggen entfernt). Der dritte untersuchte Modelizustand ent-sprach etwa dem der Windkanalmodelle: die kleinen Ausrüstungsteile wurden entfernt (Poller, Anker, kleine Winden und Lüfter).
N -K --Y ZF
Abb. 18. Detlnitlonsskizze: Horizontale
Krartkomponenten und Momento der
Luftkraft.
Das E r g e b n is der Untersuchungen kann man wie folgt zusammenfassen: Aufgetoppte Bäume
und umfangreiche Sonnensegeleinrichtung bedingen gegenüber dem Normalzustand" um 28% (von vorn) bis 5% (seitlich) größere Widerstände eines Modells (Großausführung etwa 2/3 der Widerstandserhöhung). Diese Ergebnisse konnten durch Nachrechnung bestätigt werden.
Wesentlich niedriger ist der Einfluß der gegenüber dem ,Normalzustand" bei den
Windkräfto an Uberwassersehiffen 237
oder im Staugebiet vor den Aufbauten liegen. Für diese kleinen Bauteile müßte ein
Widerstands-zuschlag von maximal 2 bis 3% berücksichtigt werden.
Diese Angaben gelten für das untersuchte Modell, lassen sich aber sinngemäß auch auf andere
Schiffe übertragen.
5. Ergebnisse tier Windkanaiversuche
5.1 De!inition der Kraftkomponenten nnd tier Momente (vgl. Abb. 18). Als Ergebnis der
Wind-kanalversuche erhält man die Komponenten der resultierenden Luftkraft F sowie die Lage der
Resultierenden zu den Körperachsen, woraus sich die Momente ergeben.
Unmittelbar gemessen wurden die Kraftkomponenten in Strömungsrichtung, der Widerstand D und dazu senkrecht in der Horizontalebene die Querkraft C sowie Giermoment N und Roilmoment K. Die Schiffslängsachse x schließt mit der Anströmrichtung den Winkel e (An-strömwinkel) ein. Für die Kraftkomponenten in Schiffslitngsrichtung (Längskraft X) und senk-recht dazu (Seitenkraft Y) erhält man:
X = C-cos e - Dsin e;
Y = COsine + D-cose;der Nullpunkt des schiffsfesten Koordinae..uAsems ist gewählt auf LOA!2 in der WL-Ebene. Die positiven Achsenrichtungen sind: nach vorn (x), nach Steuerbord (y) und nach unten (z).
Als,, Druckpunkt" definieren wir den Durchstoßpunkt der resultierenden Luftkraft F durch die Mittschiffsebene. Seine Koordinaten (auf den Koordinatenursprung bezogen) sind:
= N/ Y und
Zp. = K/Y.
Zweckmäßigerweise werden die Kraftkomponenten und Momente in dimensionslose Form ge-bracht:
CD qA Widerstandsbeiwert (entsprechend C, CX, Cy),
N
Giermomentenbeiwert,
qALQ1
K
=
KLOA Rolimomentenbeiwert.q
Sind die Beiwerte auf das Lufthauptspant A x bezogen, wird dies in Klammern hinter dem Index angegeben:
D
CDAX = qA
Die Kraft- und Momentenbeiwerte können über dem Anströmwinkel e aufgetragen werden und zeigen die in Abb. 19 als Beispiel dargestellten charakteristischen Verläufe. Links (Abb. 19a) sind die Beiwerte eines Frachtschiffes (mit stark aufgelöstem Lateraiplan) aufgetragen; kennzeichnend
sind ein hoher Frontaiwiderstand und eiie geringe Querkraft. Rechts sind dargestellt die Ergeb-nisse für ein Fahrgastschiff, das einen langen durchlaufenden Aufbau und somit einen wenig ge-gliederten Lateralpian besitzt: hier sind ein geringer Frontaiwiderstand und große Querkraft
er-kennbar.
5.2 Darstellung und Erläuterung der Versuchsergebnisse
5.2.1 Querkraft- und Widerstandsbeiwerte. Es handelt sich urn die Beiwerte der
Kraftkomponenten in Richtung der ,,aerodynamischen Achsen" in Anströmrichtung (CD) und
senkrecht dazu (Cc). Gesamtquerkraft und Gesamtwiderstand des Ïjberwasserschiffes ergeben sieh
- unter Beachtung vielfältiger Interferenzen - als Summe der Querkräfte und Widerstände der
zahlreichen verschiedenartigen Einzelkörper, aus denen sich das tlberwassersehiff zusammensetzt. Sehr aufschlußreich ist in diesem Zusammenhang die Betrachtung der Abb. 20: Rumpf und
Auf-bau allein bestimmen praktisch schon Größe und Verlauf des Querkraftbeiwertes, während der Widerstandsbeiwert des betrachteten Frachtschiffes noch sehr von Maten, Windenhitusern und Ladebäumen beeinflußt wird.
5.2.1.1 Querlcraftbeiwerte C. In Abb. 21 sind die Querkraftverläufe für einige der unter-suchten Modelle dargestellt. Die Verläufe sind mehr oder weniger sinusförmig: ausgehend von
= O bei e = 00, erreichen die cc-Werte etwa bei e = 45° ein Maximum, werden im Uereich von
a b Abb. 19. BeIspiele für den Verlauí der Kraft- und Momontunbeiwerte. a) Frachtschiff, 10 000 tdw, Aufbau mittschi.ffs, beladen; b) Fahrgastschlf f.
06
04
-02
-04
Abb. 21. Beispiele für den Verlauf der Qllerkraftbeiwerte cc = f(s) (korrigiert für Anlaufgrenzschlcht).
a) verschiedene Schiffstypen; b) Frachtschif fe. 06
e Fahrschdl 2 Tnaq2Othenbo c,a W See,cnlepner 9 Feacflh.rtdw,Ad6 lnnt,n2,kd.n _Cx,Cy X? e_n .. -e o n
r
o----t---::oM
-o_ 0.08 00 e,, ¡ Cc ________________ 4, :-238 Windkräfte an Uberwassorsehiffen 30 00 00 120 150Abb. 20. Einfluß von Rumpf, Aufbau und Ladegeschirr
auf die Querkraft- und \Vidcrstandsbeiwerto (Frachtschiff
10000 tdw Aufbau mittschiffs, beladen, alle Beizahien
auf AL des voflstündigen Schiffes bezogen). 1.0 06 06 0.4 (Z o -0.2 -04 -06 1.0 0.6 06 04 02 o -02 -04 -06 -OB 0,4 2 04 0.2 -0.2 -04 00 0$ 0.4 02 o
1.0 08 00 4 0,0 a b
Abb. 22. Beispiele für dea Verlauf der Widerstandsbeiwerte
CD f(e) (korrigiert für Aniaufgrenzschicht).
a) verschiedene Schifftypcn, b) Frnchtschiffo.
Das Verhältnis der maximalen Querkraft im vorderen zur moiximalen Querkraft im hinteren Anströmbereich hängt stark von der obenerwähnten Größe und Lage der Aufbauten im
Verhält-nis zum Rumpf ab: entgegengesetzt gleichgroße Maxima für e0 im vorderen und hinteren
Anström-bereich kann man bei Fahrgastschiffen und anderen Schiffen mit langgestreckten zentral gelege nen Aufbauten erwarten, ebenso bei Schiffen mit dominierendem Einfluß des Rumpfes.
Bei vorn gelegenen und im Verhältnis zum Rumpf großen Aufbauten (z. B. Schlepper) wird im
vorderen Anströmbereieh ein wesentlich größeres Querkraftmaximum erreicht, entsprechend er-geben weit hinten gelegene und im Verhältnis zum Rumpf große Aufbauten (Kümo und Tanker
mit Aufbauten hinten, beladen) ein größeres hinteres Querkraftmaximum. Beim Übergang in den
Hallastzustand wächst im allgemeinen das vordere Querkraftmaximum stärker als das hintere.
CC,r5
/
fy25/
//
2/
G' < GJ"
18 1--_'2i
Bemerb,unq ero on, den PonktenV.,hkl1n.erte A_ ¡A0 a a p l'onker n, 5rco5. Frwl.r,1O000doA -lcD rO Pul5ocn,Il1chOI
;
\
-0$-Windkrãfte an Uberwasserschiífen 239e = 90° wieder zu Null, um bei etwa e = 135° ein negatives Maximum zu erreichen und. für e
1800 auf Null zurückzugehen. Die Form des Querkraftverlaufes wird von den Abmessungsver-hilitnissen der Aufbauten und ihrer Größe und Lage im Verhältnis zum Rumpf beeinflußt.
Ein charakteristischer Wert ist der maximale Querkraftbeiwert CC80Ox. CCmax hängt in hohem Maße vom ,,Höhen.Längen-Verhältnis" 2AL/LOA2 ab, das dem Seitenverhältnis des
'Oberwasser-schiffes entspricht. Von Einfluß für die Ausbildung der Querkraft ist ferner die Form des
'Über-wasserschiffes, der Auflösungsgrad der Lateralfläche, der umgekehrt proportional dein Verhältnis AL/Ax ist. 0cmax steigt - im untersuchten Bereich - mit wachsendem 2AL/LOA2 und AL/A X an. Dies ist eine erneute Bestätigung der bereits in [28] theoretisch und experimentell (für
Rechteck-platten) gezeigten Zusammenhänge; auch dicke Körper zeigen diesen Einfluß [29]. In Abb. 23
wurde versucht, diese Zusammenhänge mit Hilfe des zur Verfügung stehenden Materials für den vorderen Anströmbereich quantitativ darzustellen: die Vergleichswerte 2 A Lo/LoA - und A LO/A Xo
wurden ohne Flächenanteile der- reinen- Widertndskörper berechnet.
005 010 015 0-ao 025
PuneoyrrboIe beoen 80of
FahrschFF e
rohrqasthn S
l'Çrno 000 tdw f
Frochter ,000 SOw Afbo, mStooh(tS e
Aoto ScrSefl o 2
Frochter 10000 lOw Va,or,'s I ' 5 j -e,ç p 1 s
Vo,ÍanSeO8 . j .. è è Tanker 5000050w r,rt 5rcke u u A.,'l,oc, Snr,,n 0 Forochurg5chf ME050S' Oeeocktepper' V Ha1errochlpper V lSenktrawtsr s tkh(ckiff G
Abb. 23. Maximale Querkraftbeiwerto im Bereich
ii0 < e< 9O (Anlaufgrenzschicht korrigiert).
90 120 ISO 180 30 00 90 Izo 150 180 1,0 08 00, 04 0.1 o 0. 04 02.
08 06 02 Schiffstyp Fahrgastschiffe Tragflächenboot auf OWL auf Tragfillchen Schlepper Hecktrawler kleines Frachtschiff (Kümo) Frachtschiffe Tanker
* In der Praxis Ist es vielfach üblich, den Widerstandsbeiwert auf das Lufthauptspant Ax zu beziehen.
Widerstand bei Anströmung von vorn (r = 0°)
Als hauptsächliche Einflußgrößen auf CD(AX) für e = 0° kommen in Betracht:
Höhen-Breiten-Verhältnis" des Lufthauptspantcs 2A x/B2 sowie der ,,Völligkeitsgrad" des
ÏTh erwasserlateraiplans AL/H xis LOA = HL rn/i1 X
Das Produkt beider Einflußgrößen ergibt eine anschauliche Größe: das Verhältnis der mittleren
Lateralpianhöhe zur Schiffsbreite:
AL 2Ax ÁLB2Ax 2HLI
HimL0 J32 Ax.Lo4.B2 B
Da beide Größen CD(AX) in gleicher Richtung beeinflussen (mit wachsendem 2A/B2 bzw.
HLOg/HXrn wird CD(AX) kleiner), wurde eine Auftragung von CD(AX) über 2IIL/B für Schiffe mit ähnlichem Dickenverhältnis LOA/B gewählt (vgl. Abb. 24a).
0,27 bis 0,41 0,39 0,42 0,60 bis 0,70 0,65 bis 0,75 1,08 (beladen) 0,85 (Ballast) 0,66 bis 0,82 (beladen) 0,57 bis 0,72 (Ballast) 1,04 (beladen) 0,77 bis 0,83 (Ballast) C = 00* 10 0.9 0.8 0,7 0G en e = 90° 0,84 bis 0,87 0,78 0,93 0,88 bis 0,93 0,88 bis 0,90 0,96 (beladen) 0,92 (Ballast) 0,82 bis 0,92 (beladen) 0,87 bis 0,94 (Ballast) 0,72 bis 0,77 (beladen) 0,75 bis 0,80 (Ballast) b
Abb. 24. Abhitnglgkelt der Widerstandsbeiwerte für 0° und 90° von Abmessungivorhaltnissen des Schiffes (korrigiert für
Anlaafgrenzschicht). l) °D(Ax) ° 211LmI"); b)CD 90°
N
'4.
çi''
¿ Rnkt -Sin,bote Wr,1 AIG. Nv8 N°o ZI 2HL,,,/8 240 Windkräfte an Uberwassersehiffen.2.1.2 Widerstandsbeiwerte CD. Typische Verläufe des Widerstandsbeiwertes CD = /(r)
zeigt Abb. 22: von einem stark vom Schiffstyp abhängenden Weit bei r = 0° steigt cD mit größer werdendem Anströmwinkel an, wobei der cD-Anstieg anfangs zunimmt und mit beginnender
Teil-ablösung der Strömung wieder abnimmt. Der Widerstandsbeiwert erreicht im lereich seitlicher Anströmung einen Maximalwert und nimmt dann wieder ab. Die größten Unterschiede der cp-Werte für verschiedene Schiffstypen treten bei Aiiströmung von vorn (e = 00) und seitlich (e = 900) iif Diese Widerstandsbeiwerte sollen als charakteristische Werte näher betrachtet werden. Die angegebenen Zahlenwerte für Schiff ,,in Ballast" beziehen sich auf den unveririmmten Zu-stand. Eine achterliche Vertrimmung von 10 (Frachtschiff 10000 tdw) bzw. 0,5°(Tanker) ergab
eine Erhöhung des Widerstandsbeiwertes C für Anströmung von vorn um 10 bis 20%, während der Widerstand für seitliche Anströmung (r = 90°) sich nur wenig änderte.
Die folgende Tabelle stellt die zu erwartenden Widerstandsbeiwerte CD(A X) für r =00 und CD
für 90° für einige Schiffstypen zusammen:
o Fohrc5ff A TrSt!ach*t OA. V S00hIpr S WecktrQb.e, D 00nW.r., 6dDb, 9Frod00, 10000I0. M5b Windkräfte an tYborwasserschiffen 241
Neben dem LOA/B-Verhältnis sind folgende ,,Sekundäreinflüsse" auf CD(A X) bei = 00 zu nennen: Anteil des Rumpfes am Lufthauptspant (A X RIA x), Lage und Form der Auf bauten, Um-fang der Masten und des Ladcgeschirrs.
Widerstand bei seitlicher Anströmung ( = 90°).
Der Widerstandsbeiwert bei seitlicher Anströmung ist außer vom Schiffstyp auch von dessen
Beladungszustand abhutngig. Als Einflußgrößen sind zu nennen:
2 A L/LOA2 (Höhen- Litngen.Verhitltnis des ÏJberwasserlateralplans),
A L /A L (Fliichenanteil des Rumpfes am Uberwasserlateraiplan),
Lage und Form der Aufbauten (unsymmetrische Anordnung der Aufbauten erhöht den Widerstand),
Umfang der Masten und des Ladcgeschirrs.
In Abb. 24b sind die ca-Werte für seitliche Anströmung über 2ALILOA2 aufgetragen. Man kann
die Widerstandsbeiwerte für drei Schiffsarten durch ordnende Linien verbinden:
Frachtschiffe, beladen: Lateralpian stark gegliedert, kleiner Anteil des Rumpfes an
Lateraifläche (ALJ?/AL = 0,66 bis 0,72).
Frachtschiffe, Ballast und Hecktrawler: Lateralpian weniger stark gegliedert, größerer
Anteil des Rumpfes am Lateraiplan (AL RIAL = 0,75 bis 0,82).
Fahrgastschiffe: wenig gegliederter Lateralplan mit lange Aufbau.
5.2.2 Längskraft- und Seitenkraftbeiwerte. Die Beiwerte der Komponenten der Luft.
kraft in Richtung der schiffsfesten Achsen x und y erhält man durch Umrechnung aus den Wider-stands- und Querkraftbeiwerten (vgl. 5.1). Liingskraftbeiwert c und Seitenkraftbiwert c y haben
für die praktische Anwendung der Windkanalversuchsergebnisse größere Bedeutung.
e 4..,,ob.lod.n d Ab00 ,,dI5thbd j0D nId, 5AUot To,,k,r 50000 Id p J Adbo. '.n50, buk, a b
Abb. 25. Beispiele für don Verlau! der Längskraftbelwerte e1 = /(e) (Werte korrigiert fih Anaafgrenzschtcht). a) verschiedene Schlffstypen; b) Fraohtschitfc.
5.2.2.1 Längskraftbeiwerte CX. Die Luftkraftkomponente in Schiffslängsrichtung gibt die
direkte Erhöhung (C negativ) oder Verminderung (C positiv) des Schiffswiderstandes durch die
Luftströmung an. Da es vielfach üblich ist, die Längskraft auf das Lufthauptspant A zu bezie-hen, wurden für die Vergleichsdarstellung die Längskraftbeiwerte CX(A X) über e aufgetragen
(Abb. 25). Die Verläufe von CX(AX) hängen sehr stark vom Schiffstyp ab, d. h. vom
Zusammen-wirken großer oder kleiner Widerstandsbeiwerte mit großen oder kleinen Querkraftbeiwerten.
Für kleine Anströmwinkel tritt im allgemeinen zunächst eine Verminderung V011 C X(A X) ein.
In den meisten Fällen erreicht der Liingskraftbeiwert dailn zwischen = 25° und s = 35° ein negatives Maximum, das teilweise beträchtlich über dem Wert für e = 0° - bei Frachtsehiffen bis zu 40% - liegt. Bei sehr unsymmetrisch angeordneten Aufbauten (Kümo, Tanker mit Auf-bauten hinten) kann im Anströmbereich e > 90° noch eine negative Längskraft (,,Widerstand")
auftreten. Bei Schiffen mit großem 2AL!LOA2 und langem durchlaufenden Aufbau, die sich durch
große Querkraftbeiwerte auszeichnen, kanii schon im Bereich e < 90° eine positive Liingskraft (,,ehub") und im Bereich e > 900 noch eine negative Längskraft (,,Widerstand") auftreten
(Fahrgastschiff, Fährschiff, Tragflächenboot).
'o
a h
Abb. 26. Beispiele für den Verlauf der Seitcnkraftbciwcrte c y = j (e) (korrigiert für Anlaufgrenzschicht). a) verschiedene Schiffstypcn; b) Frachtsehiffe.
Wie die ais Beispiel in Abb.26dargestellten Verläufe von e y = I(e) zeigen, tritt der maximale
Wert für c y nur selten bei e = 90° auf und kann bei Fahrgastschiffen mehr aIs 20% über dem Wert für e = 90° liegen. Die Seitenkraftkomponente erreicht zum Teil schon bei e > .50° ihr Maximum, besonders charakteristisch bei Schiffen mit hohen Querkraftbeiwerten. Im Bereich
50°
<e
<130° ändert sich Cy nur wenig.5.2.3 Beiwerte der Gier- und Rolimomente. Es wurden nur die Giermomente
N
und dieRolimomente K gemessen, die zur Beurteilung der Manövriereigenschaften bzw. der Stabilitäts-beanspruchungen bei Seitenwind von Bedeutung sind. Demgegenüber ist die Bedeutung der (nicht gemessenen) Trimmomente für normale Schiffe gering.
5.2.3.1 Giermomentenbeiwerte CN. Abb. 27 gibt Beispiele für den Verlauf der Giermomenten-beiwerte CN = N/q.AL.LOÁ über dem Anströmwinkel e.
Die Giermomentenbeiwerte haben im allgemeinen ein positives und ein negatives Maximum, die bei e =30°bis 50° bzw. 130°bis 145°
liegen.
Die Druckpunktvorlage x7, die in
engem Zusammenhang mit der Lage des
Lateralschwerpunktes XL steht (vgl. Abb.
28b), hat großen Einfluß auf den Verlauf CN = ¡(e). In Abb. 28a sind die relativen Druckpunktvorlagen XFILOA für einige
charakteristische Sehiffstypen als Funktion des Anströmwinkels e dargestellt. Als cha.
rakteristischer Wert ist in Abb. 2Sb
XFIL0A = /(xL/LOA) bei e = 90° aufgetra-gen. Bei größer werdendem Anström-winkel e wandert der Druckpunkt nach hinten, und zwar stärker in den Bereichen anliegender Strömung. Die Neigung der Kurven XF/LOA = /(e) nimmt im allge-meinen mit wachsendem 2ALILOA2 zu und wird außerdem von der Größe und
Form der Auf bauten beeinflußt.
Ein Spiegeiheck schiebt den
Druck-punkt nach hinten
(z. B. Hecktrawler, Forschungsschiff Meteor"). Große,sym-metrisch zur 1itte angeordnete Auf bauten
° hrff V 5,.c',Ie,p.r BbM,.ng e N.ckIrG.I.,-Trqoch,nbot F HOVOR (ltb -Anrrtmun9 .
1OOOOd- Fro.',e, Vr.1 be(od.n
Tenkr, kb bed
90 120 150 00 Co
Abb. 27. Beispiele für den Verlauf der Giermomentenbeiwerte
CN 1(r). 1.0 08 a' 02 90 120 150
,r
9 Froht.00COI b. hnt,n n ICYb"
e i4no belodnn h bh.r OOOO td -.f
T
242 Windkritfte an UberwasserschiffenDer Absolutwert der Litngskraft im Bereich e > 90° kann kleiner als die Längskraft im vorde-ren Anströmbereich verden, besonders wenn die Decks nach hinten stufenförmig auslaufen.
5.2.2.2 &itcnkraftbeiwerle c y. Die Kenntnis der Seitenkraftbeiwerte ist in Verbindung mit der
Druckpunkthochlage wichtig zur Abschätzung der Stabilitii.tsbeanspruchung durch Seitenwind
-0.5 -0,4 -0 -0.1 o sa
lage 'stark beeinflussenden Unterdruck-spitzen an Deck nicht ausbilden. Das
Rolimoment (und damit die ,,scheinbare Druckpunkthochlage") ergibt sich ja aus der Druckverteilung an Seitenflächen und freien Decks des Schiffes, so daß bei gro- o
ßen freien Decksflächen der scheinbare Druckpunkt" wesentlich oberhalb des o
Lateralschwerpunktes liegen kann, wie
fol-gende Tabelle auf Seite 244 zeigt.
Die Tatsache, daß der Druckpunkt
ober-halb des Lateraischwerpunktes etwa in
der Höhe HLm über der Wasserlinie liegt,
wird auch durch eine entsprechende
Aus-wertung der Messungen von Gutsche
[21] bestätigt.
ii
Druckverteilungsmessungen an einem Quader bei homogener und inhomogener 10
Queranströmung haben ergeben, daß sich die Unterdruckspitzen ,,an Deck" bei in-homogener Anströmung, deren Gradient dem der natürlichen Windverteilung über
der See ähnlich Ist, stärker ausbilden [30].
Dadurch wird der ,,scheinbare Druck-punkt" nach oben verschoben, und man 04
kann erwarten, daß in der Praxis die
ange-16
O FoOr.d,,5
Y
OecklrOwter
o bnk, Orùok. b.Od.n
Çrocht.r 10000 tOo beOde,,
OoÇbflo 9 AoIbeo t,,n1,e a 150 L, b
Abb. 28. a) Relativo Druckpunktvorlogen (Beispiele) XFILOA t (e).
b) Relativo Druckpunktvorlage x,/LOA als Funktion der
relativen Vorlage des Lateraischwerpunktes XLJLOj
(0 9O).
Bei Stabilitittsbetrachtungen ist es üblich, die Seitenkraft im Lateralschwerpunkt wirkend
an-zunehmen. Das ist eine grobe Vereinfachung. In Abb. 30 sind die aus den Meßergebnissen
ermittel-ten Dru ckpunkthochlagen z1 in derdimensionslosen Form ZFIIJLm = /(e) dargestellt.
Da-nach schwankt ZFIHLm für den Bereich maximaler Rolimomente zwischen 0,75 und 1,05. Eine
Ausnahme bildet das Forschungsschiff Meteor" ( ZF/H2O ca.0,60). Wahrscheinlich können sich
wegen der speziellen Form und Anordnung der Aufbauten der ,,Meteor" die die
Druckpunkthoch-Abb. 30. Relative Drtickpunkthochlagen OFIFiLm /(e).
hooq 0.ti00009 O Fote,h,9
:'r
/
W
//IrFÍir
Fo (s.a.Mer I.
Windkritfte an Uberwassersehiffon 243verschieben den Druckpunkt ebenfalls nach hinten, während große, extrem hinten angeordnete
Aufbauten die entgegengesetzte Wirkung haben.
5.2.3.2 RolimonientenbeiwerteCX.Für einigeModelle wurden die Roilmomente gesondertgemessen.
Abb. 29 zeigt den Verlauf der Roilmomentenbeiwerte cx = f (e). Diese erreichen ihren
Maximal-wert zwischen e = 400 und 140°, ändern sich im genannten Bereich aber nur wenig.
30 O 90 100 150 190
Abb. 29. Rollrnomentenbeiwerte cx I(e). (in der Abbildung lies Dall. statt bel.).
244 Windkräfte an lYberwassorschiff en
gebenen Werte Zp/HLm noch übertroffen werden. Als Richtwert für die Druckpunkthochlage ist also die mittlere Lateralpianhöhe besser geeignet als die (schwerer bestimmbare) Hochiage
des Lateraischwerpunktes.
Druckpunkthochlagen im Bereich 40° <e <1400 und Hochlagen des Lateralschwerpunktes
Schiffstyp
ZF
HEm HEm (e - 900)
5.3 Hinweise zur theoretischen Analyse der Vcrsuchsergebnisse. Strömungskräfte an Körpern kleinen Seitenverhältnisses (z. B. Ruder) kann man analysieren nach [31]:
- CC0 Cv0Sjfl E + CSeSIflECO5 E,
CD - CD0 = djvsin2e ± cç0sine.
Auf diese Weise können unter Umständen auch Körper sehr kleinen Seitenverhältnisss (z. B.
Unterwassersehiffe) in den Bereichen anliegender Strömung bzw. schwacher Teilablösung sowie mit geänderten Koeffizienten auch im Bereich voll abgelöster Strömung analysiert werden,
wäh-rend der übergangsbereich in dieser einfachen Weise nicht erfaßbar ist.
Die Analyse ist auf physikalischer Basis nur bereichsweise möglich. Bereits bei gewissen Unter-wasserschiffsformen, besonders aber bei TJberwasserschiffen, ist, bedingt durch das zum Teil voll-ständige Verschwinden der zirkulationsbedingten Saugkraft an der Vorderkante, eine Modifizie-rung des vorgenannten Systems erforderlich. Dies geschieht z. B. bei der Analyse von Messungen
an schräg angeströmten Platten.
Ein komplizierterer Verlauf z. B. des Widerstandes, bei dem im Bereich e = 5° bis 15° Extrem-werte auftreten (vgl. Abb. 22), läßt sich aber auch damit nicht befriedigend darstellen. Es ist dann im Gleichungssystem der Einfluß einer um900verschobenen Abflußbedingung und einer
zusätz-lichen Druckverlust-Kraftkomponente durch die , ,Kiel-Längsströmung" zu berücksichtigen (vgl. auch [32]).
Als Kompromiß zwischen den erwähnten physikalischen Gesichtspunkten einerseits und einer
erwünschten Einfachheit der Analyse andererseits hat sich z. B. das nachstehende Gleichungs-system bewährt:
_Çc C00 = c1sin e + C2Sin ECOS E ± C3Sifl2e, CD - CD0 = d1sin e + d2sin2e ± d3sin3e.
6. hinweise f tir die praktische Anwendung der mitgeteilten Ergebnisse
Anhand einiger Beispiele soll nachfolgend auf einige Probleme hingewiesen werden, die sich im Zusammenhang mit der Anwendung der mitgeteilten Versuchsergebnisse ergeben.
6.1 Verlauf der wirksamen Kraft- unti Momontenbeiwerte. Die in den Abbildungen gegebenen
Kraft- und Momentenbeiwerte sind auf die Geschwindigkeit der Relativanströmung V bezogen.
Bei gegebener wahrer Windgeschwindigkeit Vw hängt die Relativanströmgeschwindigkeit V von der Fahrtgeschwindigkeit des Schiffes VB und dem Kurs ds Schiffes zum Wind ab. L!r Winkel e
gibt den 1urs des Schiffes zur Richtung der Relativanströmung V an (,scheinbarer Wind"). Aus
dem Dreieck der Geschwindigkeitsvektoren gewinnt man die Beziehung
V 1/1V5'
-=V
V) sln-e+cose,
aus der man als Funktion von Vw/VH und e das Verhältnis V/V berechnen kann.
Die wirksamen" Kraft- und Momentenbeiwerte (einheitlich auf Vw bezogen) erhält man durch Multiplikation der Beiwerte mit dem Verhältnis (V/ V,)2, das nach oben angegebener Beziehung
Fährschiff 0,76 bis 0,93 0,88 0,57 Fahrgastschiff 0,78 bis 0,98 0,92 0,57 Hecktrawler 0,77 bis 1,04 0,94 0,62 ,,Moteor" 0,57 bis 0,64 0,62 0,65 Frachtschiff (10 000 tdw, Ballast)
Auf b. rnittschiffs 0,75 bis 0,93 0,83 0,62
1.2 to 0.8 0G 0.4 0.2 30
10
90Abb. 31. Vergleich der Roilmomentenbeiwerte c und der wirksamen Rollmomentcnbeiwcrta CX (V/V w)' für ein Fährschiff maci ein Frachtschiff bel V = 25 kn.
- cx
- 0.20
010
30 's. GO , 90
Abb. 32. Beiwerte der Lttngskraft cx und der effektiven Längskraf t C für ein Fährschiff und ein Frachtschiff in Ballast bei elnerWindgeschwind!gkeit von Vy 25kn. nur ein Teil dieser Widerstandserhöhung. Die gleichzeitig auftretende Seitenkraft Y muß durch
eine gleichgrol3e Kraft des Unterwassersehiffes ausgeglichen werden, die durch Schrägstellen des
Rumpfes (Abtrift) erzielt wird.
Es entsteht eine zusätzliche Längskraft X y im 'Wasser, die eine Funktion der Seitenkraft-komponente des Rumpfes Yifist:
Für kleine Driftwinkel ß ist
y =
C.JJf Yif,wobeiCCHdie als Verhältnis der Widerstandserhöhung Dji zur QuerkraftCH bei Schräganströ-mung des Rumpfes definierte Gleitzahl der Kräfte am IJnterwasserschiff ist.
Cc!!hiingt von der Rumpfform, vom Seitenverhältnis und vom Driftwinkel ß des
TJnterwasser-schiffes ab und kann durch Schrägschleppversuclie ermittelt werden. Den Driftwinkel ß erhält man für ausgeglichene Seitenkraft
f )if T7 2 T (fl
C y . y '1L = CYH ---- V ¡J .LJpp
i
als Funktion des Rumpfquerkraftbeiwertes C0if (für kleine ß giltCCII Cyjj)aus
Versuchsergeb-nissen.
Damit wird der Beiwert der effektiven Längskraft
CXeftCX±CXHy(CYH)T £
AL
Ergebnisse von Beispielrechnungen für ein Fährschiff (Vif= 20 kn) und ein Frachtschiff in
Ballast (Vif= 17 kn) bei einer Windgeschwindigkeit Vw = 25 kn (l3ft. 6) sind in Abb. 32 darge..
stellt. Für die Berechnung von CXS(f wurden Ergebnisse von Schrägschleppversuchen mit dem
Mariner-Rumpf zugrundegelegt [33]. Das Verhältnis V11/ V wurde als Funktion von Vw/VHund e berechnet (vgl. 6.1). Aus Abb. 32 geht hervor, daß der maximale Beiwert CXCff beim Fährschiff
um 162% und beim Frachtschiff in Ballast um 48% über dem maximalen LängskraftbeiwertC1
liegt. -Frachtschiff û
jCXeff\4
e s Föhachff COlin Windkräf to an tYberwasserschiffen 245ermittelt wurde. Als Beispiel sind in Abb. 31 die RoilmomentenbeiwerteCXund die ,,wirksamen"
Rolhnomentenbeiwerte CK (V/V)2 für ein Fährschiff (V = 20 kn) und ein Frachtschiff in
Ballast (Vif = 17 kn) bei einer Windgesehwiridigkeit V, = 25 kn (etwa Bft. 6) dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, daß die größten wirksamen Rolimomente bei e = 40° bzw. 500 auftreten. 6.2 Erhöhung des Sehifïswiderstandes durch den Wind (effektive Lngskraft). Besonders für
Probefahrtsauswertungen interessiert die wirkliche durch den Wind hervorgerufene Erhöhung des
246 Windkräfte an Uberwasserschiffon
6.3 Resultierendes Giermoment. Die unter 5.2.3 beschriebenen Giermomentenbeiwerte der
Litftkräfte gestatten für sich allein noch keine Aussage darüber, in welchem Maße ein Schiff luv-oder leegierig ist. Bei ausgeglichener Seitenkraft wirkt auf das Schiff im allgemeinen ein
resultie-rendes Giermoment, das sich aus der Summe der Giermomente von Luft- und Wasserkräften er-gibt. Wegen der stärkeren Druckpunktvorlage der tJnterwasserkraft XFH wirkt das resultierende Giermoment in den meisten Fällen luvgierig:
LT
i, VH2 f X1 Xii, CNres = CN + CNNAL
--Cy
¼1OA ----)
Unter Beachtung des Verhältnisses von Windgeschwindigkeit Vw und Fahrtgeschwindigkeit V1,
muß unter Benutzung von Schrägschleppversuchsergebnissen der Driftwinkel ß des Schiffes für ausgeglichene Seiterikraft ermittelt werden (s. a. 6.2). Die Druckpunktvor]age der Unterwasser.
seitenkraft XpJJ ergibt sich dann als Funktion des IDriftwinke]s.
Als Beispiel wurden die Heiwerte des
resultie-cs,cjz
e e renden Giermomentes CNre8 für ein(Vi, = 20 kn) und zwei Frachtschiffe in BallastFährschiff(V1, = 17 kn) berechnet (V = 25 kn, Bit. 6)
und in Abb. 33 dargestellt. Der 3eiwert des
resul-tierenden Giermomentes Cyres nimmt mit e stetig zu. Da jedoch die Geschwindigkeit V der
Relativ-anströmung für V = konst. mit wachsendem
Anströmwinkel e abnimmt (vgl. 6.1), sind zumVer--0.1
gleich die Beiwerte des, ,wirksamen" resultierenden Giermomentes CNre (V2/Vw2).in Abb. 33 mit
ein-getragen vorden Das resultierende Giermoment
0
30 0 90 erreicht bei e = 40° bis 50° ein Maximum.
o ©
FrcthtCh
s, « eQflO5tAufu ,mtsch5 Im Rahmen des Forschungsvorhabens
,,Wind-,
8QlOSAUUhnn kräfte an Schiffen" wurden WindkanalversucheAbb. 33. Beiwerte des resultierenden Giermomentes mit Modellen von Frachtschiffen, Fahrgast-schiffen und einigen häufigen Spezialschiffstypen
17 kn) bei Windgeschwindigkelt Vw = 25 kn. durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit werden diese Versuche beschrieben und die Ergebnisse der Versuche anhand von Beispielen erläutert. Ausführlich sind die Versuchsergebnisse in den Institutsberichten Nr. 153 [25] und Nr. 187 bis 189 [34, 35, 36] enthalten.
Im Anhang zu [37] werden in Tabellenform Zahienbeispiele für die erhaltenen
Versuchs-ergebnisse gebracht.
Gemessen wurden die horizontalen Komponenten der Luftkräfte sowie die Gier- und Roilmo-mente der Luftkräfte bei verschiedenen Schritganströmwinkeln. Die Fra.cht.schiffsmodelle wurden
auf Normal- und Ballasttiefgang untersucht.
Es werden Hinweise auf erforderliche Korrekturen und die Anwendung der Versuchsergebnisse gegeben.
Die Ergebnisse der durchgeführten systematischen Versuche machen künftige Untersuchungen
auf diesem Gebiet nicht überflüssig. Jedoch sollte auch bei weiteren Einzeluntersuchungen auf
eine einheitliche Versuchsmethodik geachtet werden, um vergleichbare Ergebnisse zu garantieren. Themen für weitere systematische Untersuchungen wären z. 13.:
Windkanalversuche mit stark vereinfachten Schiffsmodellen in homogener Strömung (Rumpf ohne Sprung und Schanzkleid, z. B. elliptische Wasserlinien, senkrechte Spante;
Auf-bauten quaderförmig in verschiedenen Abmessungsverhältnissen). Die Ergebnisse derartiger
Ver-suche wären nützlich zum Studium der Interferenzen zwischen Rumpf und Aufbauten und zur überprüfung und Weiterentwicklung der Methoden für die theoretische Analyse der Ergebnisse.
Versuche mit Schiffsmodellen in inhomogener Strömung. Die Ergebnisse könnten zur
Nach-prüfung bzw. Entwicklung von Methoden zur Umrechnung der Ergebnisse von Versuchen in homogener Strömung auf inhomogene Strömung mit gegebenem G eschwindigkeitsgradienten
dienen.
%Vindkräfto an tYberwasserschiffen 247 Künftige Windkanalversuche mit TYberassersehiffsmodeflen sollten immer vollständige Roll-momentenmessungen einschließen, im Hinblick auf die Beurteilung der Querstabilität bei
Seiten-wind auch für das gekrängte Schiff. Da für einige schnelle Spezialschiffe (Tragflüchenboote, Gleitboote) auch die Vertikalkomponente und das Trimmoment der Luftkraft von Uedeutitng
sind, wären für diese Schiffe Sechs-Komponenten-Messungen anzustreben.
Die Inangriffnahme und eine wesentliche finanzielle Förderung der Untersuchungen ist dem Forschungsrat der Freien und Hansestadt Hamburg zu danken. Der Dank gilt ferner den Firmen Howaldtswerke Hamburg A.-G., Kieler Howaldtswerke A.G., Maierlorm GmbH, Bremen,
Rickmers Werft und F. Schichau GmbH, Bremerhaven, für die T.Yberlassung von Unterlagen für
den Bau der Windkanalmodelle sowie der Supramar A.G., Luzern, die uns für die Versuche ein
Modell thres Tragflächenbootes PT 50 zur Verfügung stellte.
Abschließend möchte ich Herrn Thieme für seinen Rat und allen beteiligten Mitarbeitern des Instituts für Schiffbau, besonders Herrn Böhme, für ihre Hilfe bei Vorbereitung, Durchführung und Auswertung der Untersuchungen danken.
8. Ubersicht über dic verwendeten Symbole Fr resultierende Luftkraft (Horizontalkomponente)
C Luftkraftkompofiente senkrecht zur Anströmrichtung (Querkraft, positiv in Anströmrichtung gesehen nach links)
D Luftktaftkomponente in Anströmrichtung (Widerstand, positiv in Anströmrichtung) X Luftkraftkomponente in Schiffslängsrichtung (Liingskraft, positiv nach vorn gerichtet)
Y Luftkraftkomponente senkrecht zur Schiffslängsrichtung (Seitenkraft, positiv nach Steuerbord gerichtet)
N Moment der Luftkraft um die Hochachse durch L0 AI2 (Giermoment, positiv rechtsdrehend) K Moment der Luftkraft um die Liingsachse in der Wasserhinienebene (Rolimoment, positiv
rechts-drehend)
CO3 CD, dimensionslose Beiwerte der Luftkraftkomponenten, bezogen auf Lateraifläche AL
CX, Cy, C
CDC A X)' dimensionslose Beiwerte dea Widerstandes bzw. der Längskraft, bezogen auf Lufthauptspant.
CX(AX) flächeA1
Giermomentenbeiwert der Luftkraft Roilmomentenbeiwert der Luftkraft
CXerf Beiwert der effektiven Schiffswiderstandserhöhung bei Seitenwind
Cxli y Beiwert der zusätzlichen Längskraft des Unter'wasserschiffes bei Schräganströrnung
-j' Beiwert der Seitenkraft des Unter'vasserschiffes bei Schräganströmung Gleitzahl der Kräfte am Untorwasserschiff
Cif g Giermomentenbeiwert des Unterwasserschiffes bei Sehräganströmurig
CNreB Beiwert des resultierenden Giermomentes am Schiff
XF = N/ Y Dru ckpunktvorlage der Luftkraft, positiv nach vorn = -Kf Y Druckpunkthochlage der Luftkraft, positiv nach unten
V Geschwindigkeit der Relativanströmung des tTherwasserschiffes
Vm mittlere Geschwindigkeit der Relativanströmung des Ûberwasserscbiffes über die Höhe 11L,,,
V y Geschwindigkeit des wahren Windes
Vg Geschwindigkeit der Relativanströmung des Unterwassersehiffes (Fahrtgeschwindigkeit)
Pv Vorkammerdruck des Windkanals
q = f- V2
q,,, = f V,,,2 mittlerer Staudruck der Relativanströmung des Uberwasserschiffes über die Höhe Hirn R,, = V L0 /'' Reynoldzahl
, )Jf Dichte von Luft bzw. Wasser unter Versuchsbedingungen
y kinematische Zähigkeit der Luft unter Versuchsbedingungen
r Anströmwinkel des tYberwasserschiffes in bezug auf Schiffslängsrichtung L04, { Länge über alles, Länge in der Wasserhinie, Länge zwischen den Loten
Breite
H Höhe (allgemein)
HLm, Hinz mittlere Höhe des therwasserlateralpians bzw. des Lufthauptspantes
T Tiefgang
A3 Strahlquersclmitt des Windkanals
AL tYberwasserlateralflitche (ALO = Lateraifläche ohne reine Widerstandskörper)
A1 Lufthauptspantfläche
ALR, A XR Flächenanteil des Rumpfes an tYberwasserlateralfläche bzw. Lufthauptspant 3L. ZL Koordinaten des Lateralscliwerpunktes des Uberwasserschiffes
2 AL/Lo 42 Höhen-Längen-Verhältnis des tYberwasserschiffes
Staudruck der Relativanströmung des tïberwasserschiffes
248 Windkräfte an tberwasser8chif1en
9. Schrifttum
Schoeneich, H.: Der Windwiderstand von Seeschiffen. Schiffbau (1911) S. 121. MeEntee, W.: Notes froni the Model Basin. SNAME (1916) S. 86.
Fottinger, G. S. : Vergleichsversuche über den Luftwiderstand von Schiffsmodellen. Jahrb. STG (1924)
s. 329.
Biles, H.: Notes on the Effect ofWind on Power and Speed. TINA (1927) S. 164. [.5] Hughes, G.: Model Experiments on the Wind Resistance of Ships. TINA (1930) 5. 310.
[6] Hughes, G. : The Air Resistance of Ships' Hulls with Various Types and Distributions of Superstructures. lESS (1932) S. 302.
[n EMB-Report 270, Dezember 1930: Tests ofDrawing Room Model of 10 000-Ton Light Cniiscrs ("Pensa-cola" and "Salt Lake City") in Water to Determine Forces Due to Wind.
[S] EMJ3-Report 312, Oktober 1931: Tests ofDrawing Room ModelofUS Destroyer "Hamilton" in Water to Determine Forces Due to Wind.
EMB.Report 334, August 1932: Test ofModel of S.S. "Clairton" to Determine Forces Due to Wind. E\IB-Report 345, Januar 1933 : Tests of Model of IJSS " Salinas" Inverted in Water to Determine Forces Due to Wind.
Hemke, P. E., u. G. B. Carson : Wind Tunnel Tests on Stream-lining Superstructures of Ships. Marine
Engineering and Shipping Review (1936) S. 603.
f12] Araki, H., u. T. Hanaoka : Wind Tunnel Experiments on Train Ferries, presented at the Autumn M. of
the Soc. of N. A. Japan (1948) published in Vol. 84.
Kinoshita, M., T. Hanaoka u. Y. Nakajima :
OntheEffectofWindontheManoeuvrabilityofBonito-and Tuna-Fishing Boats, presented at the Autumn M ofthe Soc. ofN.A. Japan (1949) published in Vol. 86.
Kinoshita, M., u. Y. Nakajima : On the Effect ofWind on Manoeuvrability ofVessels. Abstract Notes and Data Concerning the Subjects at the Sixth International Conference of Ships Tank Superintendents. Experimental Tank Committee of Japan (1951).
Okada, S. : On the Heeling Moment Due to Wind Pressure on Small Vessels. Presented at the Autumn M.
of the Soc. of N.A. Japan (Nov. 1952) to be published in Vol. 84.
Kinoshita, M., u. S. Okada : Heeling Moment Due to Wind Pressure on Small Vessels. Proc. of Sym.
posium on the Behaviour of Ships in a Seaway, Wageningen (Sept. 1057) S. 527.
Experiment Tank Committee of Japan: An Investigation into the Sea-Going Qualities ofthe Single-Screw
Cargo Ship "Nissei Mani" by Actual and Model Ship Experiments, Transport. Technical Research Inst.
Mejiro, Toshimaku, Tokyo, Japan (1954) S. 69.
Long, M. E. : Wind Tunnel Tests on Multiple Ship Moorings, Part 3. DTMB-Rcport 839 (1952).
Shearer, K., u. W. Lynn: Wind Tunnel Tests on Models ofMerchant Ships. NECI 76 (1960) S. 229. Acrtssen, G. : Service Performance and Seakeeping Trials on M. V. ,,Lukuga". TRINA (1963) S. 297. Gutsche, F., u. G. Schroeder : Seitliche Luft- und Wasserkräfte bei Schritganströmung von
Fahrgast-schiffen und Pischereifahrzeugen. Schiffbauforschung 4 (1965) H. 3/4, 5. 97.
Paterson, W. A.: Four Fast Cargo Liners. TRINA (1965).
{23] Wagner, B. : Auswertung veröffentlichter Modelimessungen zur Bestimmung der Luftkriifte an Über.
wassersehiffen bei Schräganströmung. IfS-Bericht 113 (April 1963).
Wagner, B.: Auswertung von Windkanalversuchen zur Bestimmung der Luftkräfte an Uberwasser.
schiffen bei inhomogener Strömung. IfS-Bericht 157 (Dez. 1965).
Wagner, B.: Windkanalversuche mit dem Modell des Forschungsschiffes Meteor. IfS-Bericht 153
(Fe-bruar 1906).
Wagner, B.: Windkanalversuche mit dem Takelagemodell einer Viermastbark. IfS-Bericht 172 (Okt.
1966). Schiff und Hafen 19 (1967) H. 1, S. 13.
Wagner, B.: Windkanalversuche mit Schiffssilhouetten und Rechteckplatten zur Prüfung des
Versper-rungseinflusses in einem Rechteckstrahl. IfS-Bericht 160 (in Vorbereitung).
Theme, H.: Mechanik des Segelantriebs. Jahrb. STG 49 (1955).
Malzahn, P., u. H. Thieme : Windkanaluntersuehung von Quertriebsflitchen mit Spantarealkurven-Profil IfS 56 SR 15 bei verschiedenen Seitenverhältnissen. IfS-Schrift 2049 (Juni 1066).
We gn er, U.: Vergleichsversuehe mit Quadern in gleichförmiger Luftströmung und in dicker Grenzschicht. Schiffstechnik 13 (1966) 5. 70.
Thieme, H.: Zur Behandlung von Ruderproblemen. Schiff u. Hafen (1955) H. 10, S. 605.
Theme, H.: Berichterstattung zum Forschungsvorhaben ,,Luftkräfte an Schiffen", gefördert vom For. schungsrat der Freien und Hansestadt Hamburg. IfS-Schrift 2012 (Jan. 1964).
Wagner, B.: Schrägschleppvcrsuche für einen Seglerrumpf mit und ohne BaJkenkiel und für den Man-ncr". IfS-Bericht 186 (in Vorbereitung).
Wagner, B.: Windkanalversucho für ein 10 000-tdw-Frachtschiff mit verschiedenen
Aufbautenanord-nungen und Beladungszustänclon. IfS-Bericht 187 (in Vorbereitung).
Wagner, B.: Windkanalversucho mit tYberwaserschiffsmodellen - Kümo 600 tdw, Frachtschiff
4500 tdw, Kühlschiff, Tanker 50 000 tdw. IfS-Bericht 188 (in Vorbereitung).
(36] Wagner, B.: Windkanalversuche mit Uberwasserschiffsmodellen - Fährschiffe, Fahrgastschiff, Heck. trawler, Schlepper und Tragflächenboot. IfS-Bericht 189 (in Vorbereitung).
[37] Wagner, B.: Windkräfte an iYberwasserschiffen (Kurzfassung des Vortrages mit Anhang). Schiff und
