SCF-IIFFBAUTECHNISCHE GESELLSCHAFT
33. ORDENTLICHE HAUPTVERSAMMLUNG
BERLIN, 16. BIS 19. NOVEMBER 1932_
/'
Lr?,
iI
Über den
Maßstabeinfluß bei Modellschleppversuchen
Von
Dr.-Ing. H. M. Weitbrecht, Charlottenburg
Nachdruck, auch auszugsweise, ohne Genehmigung des Vorstandes der Schiffbau-technischen Gesellschaft nicht gestattet
HERAUSGEBER: SCHIFFBAUTECHNISCHE GESELLSCFiAFT, BERLIN
Kommissionsverlag: Deutsche Verlagswerke Strauß, Vetter & Co., Berlin SW 68XIV. Über den Maßstabeinfìuß bei Mode11sdiIeppversuden
Von Dr.-Ing. H. M. Weitbrecht, Charlottenburg.
Inhaitverzeichnis.
I. Einleihrng. Zusammenstellung der Modelifamilien.
TI. Einfluß des Maßstabes auf den Widerstand.
Beziehungen zwischen den Beiwerten der Plattenreibung und des
Gesamtwiderstandes.
Das Verfahren von Froude.
Das Verfahren von Bruckhoff.
Das Verfahren von Telfer.
Unstimmigkeiten.
Ein Verfahren für Grenzfälle.
Umrechnungsverfahren ohne Kenntnis der benetzten Oberfläche.
Anwendung auf Flugboote und Gleitboote.
III. Einfluß des Maßstabes auf den Mitstrom.
Das Ergebnis von Mitstrommessungen.
Untersuchung über (lie Unstetigkeit der Mitstromziffer bei
Ge-schwindigkeitänderung.
IV. Einfluß des Maßstabes auf Propellerversuche.
V. Einfluß des Maßstabes auf den Sog.
VI. Folgerungen.
VII. Zusammenstellung der Bezeichnungen.
VIII. Literaturverzeichnis.
I. Einleitung.
Der Modellschleppversuch diente in früheren Jahren hauptsächlich dazu,
zu entscheiden, welcher von den vorliegenden Schiffslinienentwürfen den
geringsten Widerstand besitzt; oft sollte er auch nur den mit bewährten
Näherurigsforrneln
errechneten Schiffswiderstand bestätigen.
Für diese
Zwecke erfüllt die Umrechnung nach Froude alle billigen Anforderungen.
Erst die Anwendung der Schleppversuchsmethoden auf die
Schiffs-schraube, die neuen, immer tiefer greifenden Berechnungsarten dieses
An-triebmittels und die Versuche ,,Schiff mit Schraube" gaben Veranlassung,
auch den aus dem Modellschleppversuch nach Fronde ermittelten reinen
Schiffswiderstand nachzuprüfen und durch Schubmessungen Aufklärung
iiber die zahlenmäßige Abweichung der Rechnung von der Wirklichkeit
zu
suchen.
lin Jahrbuch 1931 der D. V. L. weist Seewald (1) auf die Schwierigkeiten
hin, die bei der Umrechnung von Schwimmerversuchen auf Großausführung
entstehen. In früheren Jahren hat Bruckhoff (2) und in letzter Zeit Telfer
(3)Vorschläge für die Umrechnung auf Großausführung gemacht, ohne
nach
der Methode von Fronde den Gesamtwiderstand in Reibungswiderstand und
Restwiderstand zu unterteilen. Alle diese Rechnungsarten wollen mit
Sicher-heit den lJbergang von dem am Modell gemessenen Widerstand auf
Groß-ausführung gestatten. Sie müssen dann unbedingt auch für den
Ober-gang zwischen geometrisch ähnlichen Modellen verschiedenen Maßstabes
330 Lber den Maßstabeinfluß bei Modellschleppversuchen
Im nachstehenden sollen nun an Hand von Schleppversuchen mit
so-genannten Modeilfamilien die Ergebnisse der Widerstandberechnung
nach
Froude, Bruckhoff und Telfer nachgeprüft werden; außerdem sind noch
kurze Hinweise gegeben, wie sich der Maßstabeinfluß bei der Bestimmung
von Mitstrom und Propellerwirkung aus Modeliversuchen auswirkt.
Die meisten Versuche sind in der Preußischen Versuchsanstalt für
Wasserbau und Schiffbau (V. W. S.), Berlin. durchgeführt, jedoch hat auch
das Reichswehnninisterium. Marineleitung,
seine
reichhaltigen
Versuchs-ergebnisse zur Verfügung gestellt, wofür ich auch an dieser Stelle meinen
verbindlichsten Dank aussprechen möchte.
In der folgenden Zusammenstellung der ModeiLfamilien ist jeweils
an-gegeben, in welcher Schieppanstalt die Versuche durchgeführt worden
sind.
Die Modeliwiderstände und Rechnungswerte, die in 29 Tafeln
zusammen-gestellt worden sind, konnten hier nicht abgedruckt werden; die
Ergebnisse
sind aus Bild i bis 16 zu entnehmen.
Zusammenstellung der Modeilfamilien.
In der Spalte ,,Schleppansta t bedeutet
B: Preuß. Versuchsanstalt für Wasserbau und Schiffbau, Berlin.
L: Marineschleppanstalt Lichtenrade. W: Schleppversuchsanstalt Wien.
Ehe wir uns den einzelnen Rechnungsverfahren zuwenden, soll noch kurz
eine Ubersicht über die heutigen Erkenntnisse betreffs Schiffsreibung
ge-geben werden.
II. Einfluß des Maßstabes auf den Widerstand.
1.Beziehungen zwischen dein Beiwert der
Platten-reibung
rund des Gesamtwiderstandes
.a) Umrechnung von 2 (Froude) in
r
Wie ich bereits an anderer Stelle (12) ausgeführt habe, ist nach Froude der
Reibungswiderstand wr
wr = i fvt.825; (1) Nr. Schiffsart ..L, L:B
8 -ß Maßstab 1: m mi
2Fischdampfer
. . B 39,05,34 0,504 0,661 12,5 16,67
25Frachter
B 140,42
7,58 0,735 0,826
20 2535 45
62,5 100 3Schnelldampfer I
.B 275,7
8,9 0,6 0,626 50 75 100 4 ,,II
. B 9,0 10,0 0,573 0,64 1 1,5 3 6 5Torpedoboot .
.97,55 10,45 0,505 0,625
2025 30,3 50
6Gr. Kreuzer
. . .W 212,5
7,31 30 4048 60
75 90 7Motorboot
B 15,61 6,5 0,294 0,455 1 31/3 5 10 20 8Gleitboot I
B 9,715,85 0,276 0,578
3'/3 57,5 10
9 ,,II
B 9,713,89 0,276 0,578
31/3 5 7,5 10nach der neueren Schreibung
e..
'
2
und hieraus folgt
I vo,'75 2 0,00 0,005 0,004
Berechnet man aus den Froudeschen Reibungswerten ) für verschiedene
Längen die entsprechenden
r und trägt sie über der Reynoldsschen Zahl
auf, so erhält man für jede Länge eine besondere
,-Kurve,
wiein Bild i
dargestellt.
Verbindet man die Punkte gleicher Froudescher Zahl
=
auf
diesen
r-Kurven für konstante Längen, so erhält man r-Kurven für
kon-stante Froudesche Zahl. Auf dem Bild sind die Kurven für
=
0,05, 0,1,
0,2, 0,3, 0,5 und 0,75 eingetragen.
AO». 7
5
Froade
"\
Preussische I"ersuchis/e/t
fürIVCSserÓall ui-iO' Sc/iifÓciu, 8er/i'7Ve/?uì7gsOe/.iverre /2r 4O1cyer nu't Fraude
u/7O' fuJrPiaffer,
./,derstandsbe/,yeMe
veo N/«q geMachten 0oppe//rörper
,./55?»Fi',de
L'r nec/i
Froude\Ì
J:OD5 ''-f54i7 [z.z'
'1. r-o,o'
\
a)ûM 1143, !-OO5m,1Z52,4'7ó't U-58e, '
&)ON 1130, 4OO,.i,b52,d'-0,734 PO,2O
c,)0HÎOS.9, -45coe,,1b-ao,4'-a52
teichFroua
u2 458r,za3 *68v2 *68av2 468t2 468r2
5t2 48
Über den Mailstabeinfluß bei Modellschleppversuchen 331
70 1O 10' 10 7070
Bild1.
Man erhält zwei scharf getrennte Kurvenscharen; die eine
giltfur
Modelle mit glatter Oberfläche. die andere für Schiffe.
Es fragt sich nun, wie diese von Froude festgelegten Reibungswerte sich
zu den Reibungswerten für glatte Platten, wie sie die neuere Forschung
bestimmt hat, verhalten.
Es handelt sich hier, wie ich besonders betone, nicht darum, welche
An-schauung Froude zu seinen Werten geführt hat, sondern darum, festzustellen.
in wieweit das Verfahren nach Froude und seine Reibungswerte mit den
heutigen Anschauungen übereinstimmen.
Der Verlauf der theoretischen Kurven ist gegeben:
für laminare Strömung (Blasius) durch
Der Gesamtwiderstandsbeiwert dieser Körper beträgt bei
l = 5.5 . 10
(las 1.11- bzw. 1,21- bzw. 1.30fache des Plattenreibungsbeiwertes bei
turbu-lenter Reibungsschicht mit laminarem Anlauf.
Dieser Unterschied in den Gesamtwiderstandsbeiwerten zwischen völlig
getauchten Körpern und Platten kann nicht allein auf die vermehrte Reibung
am Körper, d. h. vermehrte Schubspannung, verursacht
durch Verdünnung
der Reibungsschicht am Körper infolge zunehmenden Umfanges bei gleicher
Anlauflänge und durch die Ubergeschwindigkeiten der Potentialströmung,
zurückgeführt werden. Es müssen bei diesen Körpern auch durch Ablösung
bedingte Druckwiderstände auftreten, was aus dem
Gesamtwiderstands-beiwert beim Rückwärtsschleppen verschiedener Doppelmodelle gefolgert
werden kann.
Man wird für praktische Berechnungen keinen zu großen Fehler begehen.
wenn man bei linearer Auftragung die Beiwerte der
Körperreibung parallel
den Beiwerten der Plattenreibung annimmt. Da außerdem vorausgesetzt
wird, daß der Restwiderstandsbeiwert innerhalb einer Moclellfamilie gleich
bleibt. müssen dann auch die Gesanitwiderstandsbeiwerte der Körper und
Modelle parallel den Beiwerten der Plattenreibung verlaufen.
Wenn hier und später von parallelem Verlauf zweier Kurven gesprochen
wird, so ist darunter die Lage von zwei Kurven verstanden, die sich
ur-sprünglich deckten, von denen dann aber die eine um einen bestimmten
Ordinatenbetrag verschoben wurde. Kurven. die bei linearer Auftragung so
parallel sind, nähern sich in logarithmischer Auftragung im Bereich der
größeren Ordinaten. Kurven, die bei logarithrnischer Auftragung so parallel
sind, nähern sich in linearer Auftragung im Bereich der kleineren Ordinalen.
Aufmerksam zu machen wäre auch noch darauf, daß in Bild 1 die
Ordi-naten, also die
-Werte, in logarithmischem Maßstab aufgetragen sind;
er-scheinen hier zwei Kurven parallel, so stehen die Ordinaten der beiden
Kurven für zusammengehörige Abszissen stets im gleichen Verhältnis. Die
logarithmische Auftragung ist gewählt, um bei der Ablesung der
r-\Verte
für sehr hohe Reynolds-Zahlen noch genügende Genauigkeit zu erzielen.
Auf den anderen Bildern ist für
-Werte stets die lineare Auftragung
gewählt. so daß dann die Ordinaten von zwei parallelen Kurven für
zu-sammengehörige Abszissen überall den gleich großen absoluten Unterschied,
z. B. stets denselben
1-Betrag aufweisen.
DM 1099; i = 4,5; i
b = 10,0
;= 0,52
DM 1030; ¡ = 4.0; i : b = 7,52; à = 0,734
DM 1143; i = 4,0; i
: b = 7,52; à = 0.761.
332 Cber den Mal1stabeinfluß bei Modellschleppversuchen
für turbulente Sfrömung mît larninarern Anlauf (Prandtl, Kárnián) durch
I. =0,074 0.2 - I 5)
für turbulente Strömung (Schlichting) durch
&r O455 (log (6)
Sie sind gleichfalls in Bild i eingetragen.
b) Reibung an Platten und Körpern.
l)ie Rauhigkeit der Oberfläche der Paratfinmodelle kann der
Rauhig-keit glatter Platten gleichgesetzt werden, so daß wegen RauhigRauhig-keit bei
Modellen keine Änderung gegenüber den Beiwerten glatter Platten
einzu-treten braucht. Aber wir wissen heute. daß der Reibungswiderstand von
Körpern bei gleicher benetzter Fläche größer ist, als der ebener Flächen.
Demgemäß wären zu den Beiwerten der Platten noch Zuschläge zu machen,
um die Reibungsbeiwerte von Modellen (Körpern) zu erhalten.
In Bild i
eingetragen sind auch die Widerstandsbeiwerte von nach
Föttinger unter Wasser geschleppten Doppelkörpern. nämlich
y
,w Jz hr,J iPreu8,'che Persuchziznzta/t
Irasrbau u Schifboj &r/in
5thema'ti,s'the Dai'ste//irng der
Wi/ersto'rndsbe/werfe f?),'
eine' Moo'eI/f'tzmii/e
DÌ? zc/irafi?rten Zwickel zeigen d'e Aenderung der F/ac/ic i/er IVider-standzl'e,werte into/ge Aenderung i/er Reì/iunqeóeÑverte' Dei l'eredi/e -denen Srrio7ungezuztunden
Bild 2.
Länge sind die Projektion der Reibungsbeiwerte der einzelnen Modelle einer
Familie auf die (t
. 4) -Ebene. Die r-Kurven für gleiche Froudesche Zahlen
geben den Abfall der Reibungsbeiwerte und damit auch den Abfall der
Ge-samtwiderstandsbeiwerte innerhalb einer Familie für die einzelnen Ebenen
= constans.
c) Vergleich im Modelibereich.
Bei den heute üblichen Modellgrößen bewegen sich die Reynolds-Zahlen
für die Versuche etwa zwischen 2. 100 und 2. 10v. Die Froudeschen
Reibungs-beiwerte liegen ab
l = 2
100 einigermaßen und ab l = 6 - 10 völlig
gleich-laufend mit den Reibungsbeiwerten nach Gleichung (5). Da die Froudeschen
Werte für glatte Körper gelten, müssen sie höher liegen als die Werte für
glatte Platten; sie erreichen aber nicht die Widerstandsbeiwerte, wie sie für
die Do:ppelkörper ermittelt wurden. Grundsätzlich richtig ist bei den
Froude-schen \Verten, daß, wenn schon für verschiedene Geschwindigkeitszahlen
bei gleicher Reynolds-Zahl verschiedene Reibungsbeiwerte angegeben werden,
sie für kleinere Froudesche Zahlen höher liegen als für größere, da Schiffe
für relativ kleine Betriebsgeschwindigkeit eine größere Völligkeit und damit
Cber den Maßstabeinflull bei Modellschleppversuchen 333
Eisner (8) hat schon früher vorgeschlagen, zur Veranschaulichung des
Ver-laufes der Widerstandsbeiwerte you
Modell bis Großausführung, d. h. der
gleichzeitigen Auswirkung der Gesetze der Schwere und der Zähigkeit» die
dreidimensionale Darstellung zu verwenden und dabei aufzutragen:
in der x-Richtung eine Froudesche Zahl f
(a),in der y-Richtung eine Reynolds-Zahi
f (et),
in der z-Richtung eine Widerstandzahl
f (e).Bild 2 zeigt dieses schematisch, wobei lineare Auftragung wenigstens für die
-Werte angenommen ist.
Die Auftragung der Reibungsbeiwerte von Froude in Bild i ist nichts
334 Uber den Mafistabeinflull bei Modellschleppv ersuchen
größere Unterschiede im Reibungsbeiwert gegenüber glatten Platten haben
als schnellere, d. h. schiankere Schiffe.
Die Froudeschen Reibungsbeiwerte liegen für
t = 2
10° und
= 2. 10°
in der Nähe der theoretisch für Platten geforderten. Zwischen diesen beiden
Reynolds-Zahien sind die Froudeschen Werte bis zu loo % höher als die
theoretischen Plattenwerte. Es ist wahrscheinlich, daß hier die tatsächlichen
Reibungsbeiwerte auch stark von den Froudeschen abweichen. Man erhält
dadurch eine Erklärung für die auffallende Tatsache. daß häufig bei der
Umrechnung nach Froude die Ergebnisse sehr kleiner Modelle (Länge unter
1 m) mit denen großer Modelle (Länge über 5 m) besser übereinstimmen
als die Ergebnisse mittlerer Modelle (Länge ungefähr 2,5 m) mit denen
großer Modelle.
d) Vergleich im Bereich der Großausführung.
Im Bereich der eigentlichen Schiffe weichen die Froudeschen
Reibungs-beiwerte in ihrem Verlauf über
sehr stark von dem Verlauf der Beiwerte
nach Gleichung (6) ab.
Zu Froudes Zeiten erstreckte sich der Anwendungsbereich seines
Ver-fahrens ungefähr auf die in Bild 1 durch Schraffur gekennzeichnete Fläche.
Die Punkte i bis 8 kennzeichnen die Lage folgender neuzeitlicher Schiffe
unter Berücksichtigung ihrer Betriebsgeschwindigkeit:
Wenn man von der theoretischen Kurve der Reibungsbeiwerte für glatte
Platten im Bereich der Großausführung ausgeht, sind zu diesen Beträgen
mit Rücksicht auf die größere Rauhigkeit bei Schiffen sicher noch Zuschläge
zu machen. Dieser Zuschlag ist in Bild i mit 15% eingeführt, d. h. frisch
gestrichene Platten der Außenhaut eines Schiffes hätten einen
Reibungs-heiwert entsprechend dem l,l5fachen Betrag gemäß Gleichung (6).
Der Verlauf der Beiwerte des Gesamtwiderstandes von Schiffen müßte
also unter den genannten, für praktische Zwecke gemachten Voraussetzungen
in linearer Auftragung parallel den 1,l5fachen r-Werten von Gleichung (6)
sein. Diese Kurve ist in Bild i stark ausgezogen.
Nach den letzten Veröffentlichungen von Prandtl (15) wäre jedoch auch
schon bei mäßiger Rauhigkeit ein flacherer Abfall zu erwarten.
2.Das Verfahren von Froude.
W. Froude (4)
trennt bekanntlich den Modellwiderstand in den der
Rechnung zugänglichen Reibungswiderstand und den Restwiderstand. Der
Reibungswiderstand wird nach der Formel W,- = 2 f vx errechnet, worin f
die gesamte benetzte Oberfläche, y die Schleppgeschwindigkeit,
2.ein aus
Versuchen zu bestimmender Reibungswert und x eine ebenso zu bestimmende
Potenz ist. Dabei macht Froude die Annahme, daß der Reibiingswiderstand
Lfd. Nr. Schifl'sart Länge m Geschwin-digkeit kn Froude-Zahl
i
Küstenschiff
68 8 0,17 2Bäderdampfer
80 20 0,367 3Torpedojäger
90 40 0,695 4Frachtschiff
120 12 0,182 5Tanker
150 12 0,162 6Postdampfer
200 18 0,21 7Schnelidampfer
. . 250 30 0,31 8Großer Kreuzer
. 250 32 0,3309 PreuS í'ersuchsansf c/f fi),' fl"qsecròau u Sc/ifòuw 5cr!,»
Deiwert e von Mode //Pgmiii'í fiZ- eecmtw,c'ere/crìa' u. 8e3'tw/der etund cuPgejrogen nuch Freude
-47 40 45 4*
,---\, .-,.-,---. Ait; 3 aiii' 0,0 4fo -77520V.,' 5) 71830V-77) 11880V-I 123)7)
-,l/o11187714/'llot;) 10767M152,.5) f . 7195(M-725) 1785(.lf.12D1/,/1I
/
0,3 Fischdampfer/7
frachter 42-z at; 410 0.15 020 0,25 0,30 0o5. aíe as 0,20 025 so Bild 3.Die von rein theoretischer Seite geäußerten Bedenken gegen das
Froude-sche Verfahren haben sich inzwiFroude-schen noch vermehrt. Es wird beanstandet:
der Aufbau der Widerstandsformel mit der gleichbleibenden Potenz
1,825 aus Dimensionsgründen;
die Einführung einer gleichmäßigen Geschwindigkeit, die doch an der
Außenhaut nach Richtung und Größe kaum irgendwo vorhanden ist;
die Einführung einer Reibungskraft, abhängig von der Größe der
ge-samten benetzten Fläche, ohne Rücksicht auf die Neigung der einzelnen
Flächenelemente. da doch nur die Längskomponente der Kraft als
Wider-stand auftreten kann;
die Einführung der Schiffslänge als Maß der Reibungslänge,
da die
Berührungslänge der einzelnen Wasserfäden mit der Außenhaut
ganz
ver-schieden ist;
die Einführung des Reibungswertes als Funktion dieser Schiffslänge,
unabhängig von der Geschwindigkeit, Breite und Temperatur (Zähigkeit),
also die Nichtberücksichtigurig der Reynolds-Zahi;
die Einrechnung des Ablösungswiderstandes in den
Restwiderstarid;
die Gleichsetzung des Wellenbildes von Modell und Großausführung.
Vielfach werden diese Einwürfe für die Praxis vernachlässigt
werden
dürfen, da sie im Verhältnis zu den ohnehin bestehenden Unsicherheiten
beiVber den Maßstabeinflul3 bei Modellschlepp'versuchen 335
eines Schiffsmodells gleich dem Widerstand einer gleich langen und
flächen-gleichen Ebene sei. Der Sohn, R. E. Froude, setzte die Versuche fort. Von
ihm stammen die heute fur Paraffinmodelle noch meist verwendeten
Rech-nungswerte und die konstante Geschwindigkeitspotenz 1,825. Neu bei der
heutigen Anwendung ist eigentlich nur die Berücksichtigung der
Wasser-temperatur.
Nun liegt zweifellos bei der üblichen Umrechnung eine Ungenauigkeit
in der schematischen Anwendung der von Froude angegebenen
Reibungs-werte und Geschwindigkeitspotenz. Gebers (5) betont schon 1908, daß eine viel
größere Genauigkeit bei der Umrechnung des Schleppversuches nach Froude
erzielt werden könne, wenn wenigstens für scharfe, mittelscharfe und völlige
Schiffstypen besondere Reibungswerte und Geschwindigkeitspotenzen
ein-geführt würden.
88 as 8 8 85 44 03 02 0,1 OD 83 0: nl 10 7*')! 1w)
.782 Preu/3 Vpuc/isün.s'tg/t für Wacj'eròau u Schf&ûi, ßrÑn
88/werte von /vfoo'e//f'üw,//en fur óe,srntwidersfund s, Regtw,der,s'tutia'
autgggeri ,gc/
Froude/
j
/
8 4108 7159 (M-1109) ç . 1115(M-175) 998L41151) Scirneildampfer r/
/
/
/'
g/
459 8 8 Alud 1155(41-75) 9 . 1083(41_73) o 7082 (M 115T 1737(41-11) - Alud 718« (,#-, 50) 4 5108 58 (M-190) ¡ - «15(M-755.7) ¿ - (M-175) 8 /51,5 (,4.; 25)-
- - (M 110) '/15 (41 - IZO) -_, .-__ .0 . (il 7 ) -M
.:
- Thrpedo&oot-/
& fr(reuzer 82 42 0.3 08 80 0.1 Bild 4. 02 03 0,/s 0,5 85 0,8 0 al, 0.7 Os 85 a: 81w' SD a3 /22noch wichtig, zu untersuchen. ob die Umrechnung auf Grol3ausführung aus
Modellen verschiedenen Maßstabes desselben
Schiffes das gleiche
End-ergebnis zeitigt.
Dieses gleiche Ergebnis aus Modeliversuchen in verschiedenem
Maßstab
wird nur dann sich ergeben, wenn die Restwiderstände für korrespondierende
Geschwindigkeiten sich verhalten, wie die dritten Potenzen der Maßstäbe,
336 Über den Malistabeinflufi bei Modellschleppversuchen
den Reibungswerten für große Schiffe sicher Größen zweiter Ordnung sind.
Man kann deshalb die Berechtigung des Froudeschen Verfahrens für
Um-rechnung von Modell auf Großausführung auch heute noch
grundsätzlich
anerkennen. Es ist aber bei der Fragestellung der vorliegenden Arbeit dann
ZÑ, 3Zr,,« 458 5
I0 Preuß Versucl,suns'tc/t für Wiiseerò Su u $iII/ÓCL' 8er//ì
8e/werre von Moo'e//f'cmilien fUr (Je,çqrr,tw,dera'fønfl' ¿J. Á'ests'ider,ctgnd
cufgetrqcn ic/ Froade
7/ Sc/lne//dcmpfer I 5.8 07 05 85 4/s
'D 41o9 1007(f-1zD) 0- 1009(W-1io) D' 7080($f-75) 1110/I (U-193J3) 4?o/0,/'Oc/(M 11) 89- 87-«r
/ -
f7//
4/I--.--.
7/
z / Motorboot A4'.7,
40 -0/5 0,20 0,25 038 t3 44'0 0,/IS Preti/I I'5r3'tic/7.cunstc/f f Vauserbuu o Sciilbou, ßer/,»Beiwerte von iWoo'e//îum,7,'n
ûr llesamtwth'5r3'tantI o Pe$tw,rlerutcnd
uufge'trogen ugo/i Frouo'e
Bild 6.
sammenfallen. In wieweit diese Voraussetzung zutrifft, zeigt Bild 3 bis 6.
Die wahrscheinliche Kurve der Beiwerte des Restwiderstandes ist etwas
stärker ausgezogen. Diese Kurvenscharen sind nichts anderes als in
drei-dimensionaler Auftragung gemäß Abschn. II, i die Projektion der
Wider-standsbeiwerte der einzelnen Modelle auf die (,
) -Ebene.Aus der Lage der
-Kurven aller Modeilfamilien ist klar ersichtlich, daß
cias kleinste Modell jeweilig den verhältnismäßig größten Widerstand, d. h.
den größten Widerstandsbeiwert hat, soweit nicht bei sehr niedrigen
Ge-schwindigkeiten Annäherung an laminare Strömungszustände erfolgt. Wenn
die Modelle groß genug sind, zeigen die Beiwerte des Restwiderstandes auch
genügende Übereinstimmung. Besondere Abweichungen sind in Abschn. II, 5
aufgeführt.
Jahrbuch 1933 22
Über den Maßstabeinfluß bei Moddflschlcppv ersuchen 337
d. h. wenn, wie oben vorausgesetzt, die Beiwerte des Form- bzw.
Restwider-standes
für gleiche Froudesche Zahl
= if'
il/A
für die Modelle
verschie-denen Maßstabes praktisch gleich sind. Es müßte also sein:
gm1 - rmi = gm2 - rn2 =
Trägt man für die einzelnen Modeilfamilien den Beiwert des
Gesamt-widerstandes
grnüber der Froude-Zahi
auf und setzt den Beiwert der
Reibung nach Froude ab, so müßte die Restkurve für alle Modelle
338 Über den Maßstabeinfluß bei Moddllschleppversuchen
3. Das Verfahren von Bruckhoff.
Bruckhoff (2)
(6) versucht in verschiedenen Aufsätzen nachzuweisen, daß
für korrespondierende Geschwindigkeiten die Widerstände von Modellen
schiedenen Maßstabes und der Widerstand der Großausführung sich
ver-halten wie die 2,87. Potenz des Maßstabes.
Nach Bruckhoff ist
= u m 2.87,
ferner ist
= d
m3,folglich
Wj W i-
d ,1O.l8Trägt man also
für
eine
Modelifamilie
die-Werte
für
gleiche
Froudesche Zahlen über dem Maßstab in einem logarithmischen System
auf, so müssen diese
-Werte auf einer Geraden liegen, die gegen die
Abszissenachse den Neigungswinkel mit tg ß = 0,13 = 1: 7,7 hat.
Pr 1"ersiic/ìcans/a/f fûr /i/isscrÒoi
und $c?i"YaLf, 8er/in
A/JPtrcgLI/7g de$ Wiers'tcnees einer A?oteiifvn,i,e
nen/7 Bf'UCA-/iOfr
/1)7 /1ìfl d, - dnz3 -
-
-'--a',
d»
Lime a - mtf/ere fe/qulig ,,rnerha/b einer Mode//P,n,í/,e
Li»,? b - VCrdm1ongVmAfoo?//werfr mi&v»'ent fiQO» Froude
rvßer irreozer (ir) + Frec/iter ¿pr)
Torpefoocof (7p0) ¿ Ñic/idampPer(Fi) i rpi23/ I Fr. 13 ---I
--Frf'
II ---
a________
10 3040 500
&7 1W 74 12 10 40 10 0,910 Fcc/ic b'errog de$ euqe/rugeocn
8em Für der
NeO ste/ies PUr
Bild 7. (7} 817 z0L -/7 t070 40
48
-I _J- --.- -- pfm7en'C 41/ ZN,- Jzròi Aòb 7Versteht man unter korrespondierenden Geschwindigkeiten innerhalb
einer Modeilfamilie im weiteren Sinne die Geschwindigkeiten, bei denen
zwischen den "vViderständen eine mit einfachen Mitteln feststellbare
Gesetz-mäßigkeit herrscht, so lassen sich solche Beziehungen aufstellen, aber ini
allgemeinen nur innerhalb des Modeilbereiches. Bei der Anwendung der
festgestellten Beziehungen auf die Umrechnung für Großausführung bekommt
man meist ausgesprochen falsche Werte,
99*
1 2
Schiffsart großer Kreuzer Torpedoboot
Froude-Zahi
0,13 0,26 0,34 0,28 0,38 0,48Neigungsfaktor a.
. . 4,08 5,09 7,05 3,3 4,3 7,7Neigungsfaktor b
. . 7,98 9,4 12.65 5,8 6,8 7,73 4
Schiffsart Frachtschiff Fischdampfer
Froude-Zahl
0,12 0,16 0,20 0,1 0,2 0,28Neigungsfaktor a
. . 5,36 5,26 4,94°°
7.53 7,37Neigungsfaktor b .
. . 8,4 8,18 9,45 6,7 7,7 10,2Über den Maßstabeinfluß bei Modellschleppversuchen 339
Bild 7 zeigt eine solche Auftragung für verschiedene Modeilfamilien bei
verschiedenen Froudeschen Zahlen. Man erhält von Modell bis
Großaus-Führung für jede Froude-Zahl eine mehr oder minder gestreckte Kurve, die
sich im Modelibereich ohne großen Zwang durch eine Gerade a ersetzen
läßt. Die Abweichung dieser Geraden von der Verbindungslinie der Punkte
des größten Modelles mit den Punkten der Umrechnung auf Großausführung
nach Froude, in Bild 7 mit Gerade b bezeichnet, ist meist aber recht
be-trächtlich. Außerdem tritt klar zutage, daß die Neigung der Geraden a gegen
die Abszissenachse innerhalb einer Modeilfamilie um so geringer
ist, jehöher die Froudesche Zahl liegt, worauf Gebers (7) schon hingewiesen hat.
Für bestimmte Schiffstypen, nämlich Schiffskörper vom großen Verhältnis
L : B bei kleinem
,sind die Abweichungen von den Froude-Werten am
geringsten, für das Torpedoboot fallen sie sogar bei
= 0,48 genau
zu-sammen.
Die nachstehende Liste gibt die Neigung gegen die Abszissenachse
der-jenigen Geraden, durch welche die die Punkte gleicher Froude-Zahi innerhalb
einer Modelifatnilie verbindende Kurve ersetzt wurde, und zwar als den
Nenner a eines Bruches, dessen Zähler i ist. Nach Bruckhoff müßte a = 7,7
sein. Der Neigungsfaktor b gibt die Neigung an, welche die
Verbindungs-linie des 'Wertes -
vorn größten Modell mit dem Wert
des auf
Großaus-führung nach Froude umgerechneten Schiffes hat. Die Neigung der Linien b
stimmt im großen ganzen mit der Neigung des Abfalles nach dem
Bruckhoff-Koeffizienten
(Neigungsfaktor
7,7)überein,
so daß das Verfahren als
Näherungsverfahren seinen Wert behält, insbesondere bei Gleit- und
340 Über den Maßtabeinfluil bei Moddllschleppversuchen
4. Das Verfahren von Telfer.
Telfer (3) versucht auf Grund von Rohrversuchen nachzuweisen, daß der
Reibungsbeiwert
rvon Platten ohne Längskanteneinlluß richtig
wieder-gegeben wird durch die Formel
- a + c
Fv22
worin a und c konstante \Verte sind.
Trägt man
,.über
linear auf, so müßte man als Kurve der
reine
Gerade erhalten.
Da ferner innerhalb einer Modellfaxnilie für gleiche Froudesche Zahlen
der Beiwert
des Formwiderstandes, in diesem Fall also cies
Restwider-standes, stets gleich vorausgesetzt wird, müßte auch der Beiwert
desGesarntwiderstandes, immer linear über
aufgetragen, eine Gerade sein,
dag=r+
ist.Die Neigung dieser Geraden gegen die Achsen wäre von der Schiffsform
und der Rauhigkeit der Oberflächen abhängig und nach Telfer für alle
Froudesche Zahlen gleich.
Zur Bestimmung des Gesamtwiderstandes eines Schiffes sind daher
min-destens zwei Modelle zu schleppen und die Gesamtwiderstandsbeiwerte über
aufzutragen.
Die Verbindungslinie von zwei zusammengehörigen
Punkten der beiden Modelle, d. h. von zwei Punkten gleicher Froudescher
Zahl, gibt den Verlauf des Widerstandsbeiwertes für alle anderen Maßstäbe
und damit im Schnittpunkt mit der Abszisse
für das große Schiff den
Gesamtwiderstandsbeiwert der Großausführung bei gleicher relativer
Rau-higkeit.
Bild 8 bis 12 gibt die Widerstandsbeiwerte von Modellfamilien
verschie-dener Schiffsarten bei Auftragung nach Telfer. In Bild 8 bis 12 sind auch
die Kurven der Reibungswerte nach Gleichung (5) und (6), außerdem die
aus den Froude-Reibungsbeiwerten für
= 0,75 ermittelte Kurve
ein-getragen und als Kurve III bzw. Il bzw. I bezeichnet.
(û 08 127 125 ¿25 04 02 Fisc/IampPer
Freut!. Verguc/gcpstc/t Púr Wuj'sert'cu u Yc/7ft'ou, Bei-Im
'/o'erefurn1s'e/werte vor Moc/e//fumi/,en
oufgetrqgeìi ructi Te/Per
M8 788! M725 o-Je Mea 1783 M-1 7867 0M
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LNOS 1784 a,. - -aJe- J
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(17 - 129 08 Bild 8. (10 ,107 8 91,6 O 5-o' 70 8 Sa' 1' s 15 0 8 7 5 7 S,o'11,' 75,.
¿19
(lu)
70 09-08 07-ZN, 32 ZN? 11
Preuß. ersuc»sgnstolt /?ir 11'usserbco o, Sc/iifLwu, 8er!,» W,lJerstcn/e be, werte von Model/fgm,Ïie'n
uufgetruy'en riuc» Teller
$chne//oYimp/'er I N f, ZD' 09 , 08 07 ThId 9. Seirne//domoîer J 69,93 M-13 4M de a Abb 8 Mof 9082 69-1u az
j)
I
-n0,3'f 701',' rsr-6'
(1er Plattenreihung f hr turbulente Strömungen mit laminarern Anlauf, wird.
Der Verlauf der Verbindungslinien für die Punkte gleicher Froude-Zahl im
Sinne der Kurve I, II oder III und der tYbergang von einem Zustand zum
anderen ist stark von der jeweiligen Schifl'sform abhängig.
In Bild 8 bis 12 ist für jede der Kurven I, II und Ill eine besondere
Strichart benutzt, und dieselbe Strichart ist auch für die Verbindungslinien
gleicher Froude-Zahlen in dem Bereich verwendet, in dem sie den
Grund-kurven parallel sind.
Diese Folgerungen gelten selbstverstãndlich ganz unabhängig von der
Funktion von l, über der die Widerstandsbeiwerte aufgetragen werden. Es
ist der Einfachheit halber die Auftragung von Telfer über t beibehalten
worden, aber ohne daraus irgend welche Folgerungen über den Verlauf der
Kurven zu ziehen.
b) Zahlenmäßige Auswirkung.
Entspricht der Abfall der Verbindungslinien gleicher
Geschwindigkeit-zahlen einer Moclellfamilìe im Modeilbereich nicht dem Abfall gemäß den
Froudeschen Reibungsbeiwerten, so
erhält man bei Umrechnung nach
Fronde
einen
unrichtigen
Restwiderstandsbeiwert,
wobei
zur
Fehler-abschätzung folgende Angaben dienen mögen.
Die Kurven I und II sind praktisch von
= 6. 106 ab parallel, bei
kleineren Reynolds-Zahlen verläuft Kurve I flacher als Kurve II. Geht für
Über den Maßstabeinflufi bei Modellschleppversuchen 341
a) Feststellung des gesetznïäßigen Verlaufs.
Wie die
Bilder zeigen,
könneii die Verbindungslinien der Punkte
gleicher Froude-Zahl in den einzelnen Familien kaum oder nur unter
Zu-lassung großer Streuungen als Gerade angesprochen werden. Eine
Gesetz-mäßigkeit im Verlauf ist aber zweifellos festzustellen, und zwar derart, daß
mit hoher Reynolds-Zahi und für das jeweilige Modell hoher Froude-Zahi der
Verlauf parallel der Kurve II, d. h. den Beiwerten der Plattenreibung für
turbulenten Ströinungszustand, einsetzt und mit sinkender Reynolds-Zahi
und Froude-Zahi zunächst parallel Kurve I,
d.h. den
Plattenreibungs-beiwerten nach Froude, und dann parallel der Kurve III, d. h. den Beiwerten
342 Über den Maßstabeinflufl bei Modeflschleppversuchen
einen Versuch im Anhalt an Bild 8 bis 12 hervor, daß der Abfall nach
Kurve II erfolgt, so ist bei der Umrechnung nach Froude der Beiwert des
Restwiderstandes mehr oder weniger zu groß, je nach der Reynolds-Zahi
(les Versuchs. Der Beiwert des Restwiderstandes ist um einen bestimmten
Anteil des Beiwertes des Reibungswiderstandes zu verkleinern. Man hat
= - Z'7.. Die Größe von z gibt folgende Aufstellung:
Die Kurven I und III sind praktisch von
= 1. 1O
ab parallel, bei
kleineren Reynolds-Zahien verläuft Kurve I steiler als Kurve III. Geht für
einen Versuch im Anhalt an Bild 8 bis 12 hervor, daß der Abfall nach
0.8 07 ad 0,0 -f0,3 'e' OS,
- :
:
MOU 7500 Mid j 44f 4OStorSvof 12. M' '4fOU 7004 M 13,320 3 -f 7 0 9j' 7' 3 o 3 4 5 4 7 ß.'1' 7.3 ) 7.'1175 33,!Stärkere Abweichungen im Kurvenverlauf sind im nächsten Abschnitt
besprochen.
5. Unstimmigkeiten.
a) Bei der Auswertung nach Froude.
Wie aus den Ausführungen des Abschnittes II, 4 hervorgeht, können die
,-Werte der einzelnen Modelifamilien nur in eine Kurve zusammenfallen,
wenn der Verlauf der Kurven für gleiche Froude-Zahien innerhalb einer
Reynolds-Zahi des Versuchs .
2. 106 3. 1004 10
5. 10
100 z
4,8 2,5 1,4 0,3Reynolds-Zahl des Versuchs .
2 108 3. 106 4. 106 5 106
6. 10
8. 10
100 z
8,7 4,4 1,9 1,3 0,7 0,1Predi 1ersuc/is1rnsta/t für fl'asserôua u Sc hua 8er!,» AbS 7f
Wderstur?a's'Óe/wer/e .'vn Moc/allf'um,Ï,en
/3
aufgetragen cacti Th/fer#207007
4ff 20
o, 15,02
53 Ii ag 38 7 ai de
Bild 10.
Kurve III erfolgt, so ist bei der Umrechnung nach Froude der Beiwert des
Restwiderstandes mehr oder weniger zu klein, je nach der Reynolds-Zahl
des Versuchs.
Es wird jetzt
= ,
+ z. Die Größe von z gibt folgende
Aufstellung:
37 KoS
8
MDtoröoof MOU 7005
10 09 128 127 £16 0.5 12.2 £0
Preu/3. I'erswc/ìso'rnstg/t für #csserôcu u Sc/70f&oh/, 8cr/rn WÌo'erstuno'r.&e/werte vor Mode/Ifflim//en
gjjjqetroqen mich Te/Per
44
:- S
04 5 8 7 lo' "tf
47-700- 02 1*, 18
Preuß. l'er$uC/780IlStcIf für Wusser&co, u Sch4f4iuL/, 8e,-/,n
00'
0,6- MoO 1180
'4 M-175
H'/derstands'eiwerte ¡'on 4lorJe//Pc,rn/,en
ctifgetrogen nrzc/7 Te/Per 5leitöoot I Bild li. 486 12 42 4g 0,8 41v
t;
M-5.'
6 7 7 5'1 ' ¿7 Z S O l'o 40 0,9 0,8 ¿47 iSv!L ,;,' 10 - L79 as o,? U 5 ,112 (1,5) (1.4) (1,3) (1,2) (0.5) (8.0) Bild 12.sind, wie schon früher festgestellt, für
t
a 6. 106 parallel; d. h., wenn die
Modelle groß genug gemacht werden, muß die Umrechnung aus
verschie-denen Maßstäben auf Großausführung praktisch dasselbe Ergebnis zeigen.
Bei kleineren Reynolds-Zahien ist der Verlauf der Kurven gleicher
Froude-Zahi teilweise parallel der Kurve I; vielfach aber auch parallel der
Kurve iII. und in letzterem Fall werden die Reibungsabziige nach Froude
Über den Maßstabeinflufl bei Modellschleppversuchen 343
Familie parallel der Kurve I Ist. Bei höheren Reynolds-Zahien ist, wie Bild 8
bis 13 zeigt, der Verlauf der Kurven gleicher Froude-Zahi in allen
Modell-familien tatsächlich parallel den Kurven i oder II, und diese beiden Kurven
w großer h'rcojzer MOU 5 M-148 4M .0405 M M-075 MOO 18 MOU j8 °'!. / M 'Oil 480 05 ¿44 0,9 'o' 48 ., ¿19 U 144 ¿13v' oj . as 0.7 0,5-0.0 ?141.1260S.!8e
344 Ober den Maßstabeinflufl bei Modellschieppversuchen
falsch, so daß die Beiwerte des Restwiderstandes für die gleiche Froude-Zahi
innerhalb einer Modeilfamilie Unterschiede aufweisen müssen.
Diese Unterschiede können beseitigt werden, wenn für die Reibungs.
abzüge die Reibungsbeiwerte verwendet werden, wie sie für die einzelnen
Schiffstypen sich aus Bild 8 bis 12 ergeben. Besondere Vorsicht ist jedoch
bei all den Versuchen geboten, bei denen der Verlauf der Kurven gleicher
Froude-Zahi stark nach oben vorn Verlauf der Kurve III abweicht.
Bei der Beurteilung der Gesamtauswirkung ist noch zu berücksichtigen,
daß der Restwiderstand, in dem die Verschiedenheiten auftreten, meist nur
ein kleiner Betrag des Gesamtwiderstandes ist, während der
Reibungswider-stand bei Großausführung, ganz gleich, von welcher Modellgröße
man
aus-geht, rechnerisch immer mit dem gleichen Betrag erscheint,
so daß der
Fehler im Endergebnis nur als Prozentsatz eines kleinen Prozentsatzes
auftritt.
Ungewöhnlich ist in Bild 3 (Frachter) der Verlauf der
g -Kurve für die
Maßstäbe 1: 35 und i : 40, die sich wiederholt überschneiden. Eine
be-stimmte Erklärung dafür kann nicht gegeben werden, wenn die Erscheinung
auch wahrscheinlich auf Tankeinfluisse oder Grenzfälle in der Auswirkung
der Reynolds-Zahi zurückzuführen ist.
b) Bei der Auftragung nach Telfer.
Wenn auch manchmal eine gewisse Willkür in der Anordnung des Zuges
für die Kurve der -Werte bei gleichbleibender Froudescher Zahl in Bild 8
bis 12 zu herrschen scheint, so glaube ich doch, daß der Abfall dieser
Kur-ven im Sinne der KurKur-ven II bzw. I bzw. III bzw. im Übergang von der einen
zur anderen nachgewiesen ist.
Die Punkte liegen nun aber meist nicht genau auf der Kurve, sondern
esist ein gewisses Pendeln um diese Kurve festzustellen, wie man besonders in
den Bildern 10 und 11 beobachten kann. Worauf diese Schwankungen
be-ruhen, konnte nicht erwiesen werden, möglich ist ein Einfluß der Tankbreite
bzw. Tanktiefe oder von Verhältnissen im Abstrom, über die wir heute noch
nichts Bestimmtes aussagen können.
Ebenso unerklärlich ist das teilweise oder völlige Herausfallen einzelner
Modelle, und dieses bei Modellängen und Reynolds-Zahien, die bis jetzt als
durchaus genügend erachtet wurden. Es handelt sich dabei um folgende
Modelle:
Der Widerstand ist hier durchweg viel zu hoch.
Aber auch bei einem dem allgemeinen Farniliencharakter sich gut
ein-ordnenden Modell treten manchmal auf kurze Strecken Vergrößerungen der
Widerstandsbeiwerte ein, für die eine erschöpfende Begründung nicht
ge-geben werden kann. Es gehören hierher die Gesamtwiderstandsbeiwerte des
Frachtschiffes im Maßstab 1: 25 von
= 0,18 bis
0,10.Ganz ungeklärt sind auch die Gründe, weshalb die Widerstandsbeiwerte
eines Modelles bei niedrigen Froude- und Reynolds-Zahien einmal dem
Ab-fall der Kurve III, d. h. turbulenter Plattenreibungsbeiwerte mit laminarern
Anlauf, ziemlich weit folgen (vgl. Bild 8), Fischdampfer Mod. 1164, Maßstab
1: 12,5), ein andermal ohne Abfall gleich nach oben abbiegen (vgl. Bild 8,
Frachter Mod. 1105, 1:20, und Mod. 1106, 1:35).
In Bild 11 (Motorboot) treffen die Verbindungslinien gleicher
Froude-Zahl nicht die zugehörigen Punkte aus dem Schleppversuch im Maßstab 1: 1,
d. h. die Werte aus dem Schleppversuch mit dem eigentlichen Schiff, da cias
a) Schneildampfer II
1: 3;
Modellänge 3,0
m,
b) Torpedoboot
1: 30,3;
,, 3,22m,
c)
Gleitboot I
1: 5;
,,1,942 m,
Großausführung.
i
106 2. 10° 4. 10° 1 . 102. iø
4. l0
1 . 10°102
rt'...
0,395 0,361 0,328 0,287 0,257 0,232 0,198i
iO 2. iO 4 iO
1. 10° 2. 108 4 10° 1. 10° 2 10° 4. 10° 1 . 10'°
102 4.
.0,348 0,308 0,278 0,242 0,220 0,201 0,178 0,163 0,152
0,138Über den Maßstabeinflufl bei Modellschlcppversuchen 345
Schiff natürlich eine andere Rauhigkeit hatte
als die aus Paraffin
her-gestellten Modelle. Der Unterschied in den Gesamtwiderstandsbeiwerten
beträgt etwa 15%, was bei einem Anteil des Reibungswiderstandes am
Ge-sarntwiderstand von 50% einem Unterschied in der Rauhigkeitsauswirkung
von etwa 30% entsprechen würde. Dieser Betrag ist hoch, auch wenn
berücksichtigt wird, daß das Boot eine ziemlich alte Kupferhaut beim
Schleppversuch hatte.
In Bild 10, Schnelldampfer H, fällt der Punkt Ç = 0,32 im Maßstab 1: 1
ziemlich hoch, verursacht wahrscheinlich dadurch, daß dieses 9 m lange
Modell bei dieser Geschwindigkeitszahl zu groß für die Rinnenabmessungen
der Versuchsanstalt ist.
c) Negativer Restwiderstand.
Wie schon in Abschn. II, ic angegeben und aus Bild i ersichtlich, liegen
die Verbindungslinien für die Reibungsbeiwerte gleicher
Geschwindigkeits-zahlen nach Froude um so höher, je kleiner die Froudesche Zahl ist. Für
die Kurve I ist die hohe Froude-Zahi
= 0,75 gewählt, und doch
über-schneidet in Bild 8 die Kurve der Gesamtwiderstandsbeiwerte des
Fisch-dampfers im Maßstab 1: 25 und des Frachters im Maßstab i : 62,5 die
Rei-bungsbeiwerte nach Kurve I.
Bei schematischer Anwendung der Reibungsabzüge nach Froude würde
in dieseni Fall der Reibungsabzug sicher größer werden als der
Gesamt-widerstand des Modelles; in der Tabellenrechnung tritt dies als negativer
Restwiderstand in Erscheinung. Das ist natürlich eine Unmöglichkeit und
beweist nur, daß in einem solchen Fall die in die Rechnung eingeführten
Reibungsabzüge, d. h. die Reibungsbeiwerte zu hoch waren.
Inwieweit die aufgezeigten Unstimmigkeiten durch Verkürzung der
laminaren Anlaufstrecke, also durch Aufrauhung oder Stolperdraht
beein-flußt werden können, muß weiteren Untersuchungen vorbehalten bleiben.
6. Ein Verfahren für Grenzfälle.
Wie die Abschn. II, 2 bis 4 zeigen, genügt das Verfahren von Froude
allen billigen Anforderungen, solange das Modell groß genug ist und
Schiffs-abmessungen und Schiffsgeschwindigkeit sich innerhalb bestimmter Grenzen
bewegen.
Nimmt man für die Umrechnung auf Großausführung anstatt der
Froudeschen Reibungswerte die nur von der Reynolds-Zahl abhängigen
Reibungsbeiwerte
,.der Kurve I im Modelibereich und im Bereich der
Großausführung den 1,l5fachen Betrag der Werte nach Gleichung (6), so
decken sich die damit errechneten Werte recht gut mit den
Umrechnungs-werten nach Froude, in Grenzfällen werden sie sogar richtigere Werte
er-geben. Diese beiden Kurven sind in Bild i etwas stärker ausgezogen. Ihre
Zahlenwerte sind:
Liste der Reibungsbeiwerte.
A
z8
342-32 ft2 17
W/derstandsóe/s'erte «'ori Álode//famiÏthn
aufgetragen ncch Th/fer
IZ/e/tu/dc/ienversuche voti So/torf (H.s'A)
2«- 22- 1,0-rilase
DAßC
1 2 g 8re,te as ¿3 0,15 0,075 8'« 8e/aleng 188 /5 225 02v kO fie wio'ir gq 58 «Z4 58 mfSc a',- '111. -1?!''" 't
AbO 15 ,le8werte ,o,-oys,wCfttlICh« Werte .2 3 6 5S7",' 2 3Der Widerstand für Großausführung
Wbei korrespondierender
Geschwiii-digkeit ist
W=8!_FV2
- e 'qs 2 8 2tt3tn'«1= -
gm gm--fV:n e 2 W gm --f
v gs=
gm - rm + rs
w=
(i
)r8)
wm3. (11)Dabei werden Temperaturunterschiede schon in der Berechnung von
fur
die Bestimmung von
,berücksichtigt.
ist man aus irgendeinem Grunde zu Modeliversuchen mit einer
Reynolds-Zahl
t < 2- 106 gezwungen worden, so ist an Hand von Bild 8 bis 12
nach-zuprüfen, ob nicht kleinere Reibungsbeiwerte, als in obiger Liste angegeben,
einzusetzen sind.
7. Umrechnung von Modell auf Großausfiihrung
ohne genaue Bestimmung der benetzten Fläche.
Wie oben gezeigt, setzt die Umrechnung nach Froude den Verlauf der
Reibungsbeiwerte innerhalb einer Modeilfamilie bis zur Großausführung
nach den zu jeder Froude-Zahl gehörigen Kurven in Bild i voraus, wobei
346 Über den Mafistabeinflufi bei Modellschleppversuchen
02 1D 4
0,8 17
28,62 1?
'US
W = - w flt
(lia)
ein Wert, der sich völlig mit Gleichung (ii) deckt.
Abgesehen von dem Anteil des Reibungswiderstandes sind auch für die
Bestimmung der Reynolds-Zahl Annahmen zu machen, nämlich über die
benetzte Länge. Infolge der Gestrecktheit der Kurven des Reibungsbeivertes
beeinflussen jedoch auch größere Schätzungsfehler kaum das Schlußergebnis.
8. Anwendung auf Flugboote und Gleitboote.
Aus Bild 12 geht hervor, daß auch die Gleitboote im Gleitzustand diesem
Gesetz des Abfalls der Widerstandsbeiwerte folgen, wenn das Modell groß
ge-nug gewählt war. Dasselbe entnehme ich für Schwimmer den Versuchen von
Sottorf (14), auch wenn dort bei kleinen Geschwindigkeiten das quadratische
Widerstandsgesetz zu gelten scheint, zumal da Maßstabversuche für
Gleit-flächen, die von Sottorf an derselben Stelle
(14)mitgeteilt werden, bei
Auf-tragung gemäß Abschn. II, 4 auch den Abfall parallel den Reibungsbeiwerten
für Platten zeigen (s. Bild 13). Es ist aber zu beachten, daß bei geringerer
Anstellung der Fläche (3°) und einer Froude-Zahl
= 1,83 der Abfall gemäß
Kurve III erst bei einer Reynolds-Zahi von 7 . 10 einsetzt, während bei
stärkerer Anstellung (8°) und einer Froude-Zahi
= 3,95 der Abfall nach
Kurve I schon bei einer Reynolds-Zahi von 0,8. 10° vor sich geht.
Unter Benutzung des in Abschn. II, 7 entwickelten Verfahrens kann
dem-gemäß die Umrechnung auf Großausführung ohne Bestimmung der benetzten
Oberfläche durchgeführt werden. Der Gang ist folgendermaßen:
Über den Mafistabeinfluß bei Modellschlcppversuchen 34.
ein Sprung beim Übergang vom Modell zum Schiff mit Rücksicht auf die
Rauhigkeit stattfindet.
Benutzt man die in Abschn. II, 6 gegebenen Kurven für den Abfall des
Reihurigswiderstandes, stellt also diesen Abfall nur in Abhängigkeit von der
Reynolds-Zahl und nicht von der Froudc-Zahl, so ermöglicht dieses unter
be-stimmten Voraussetzungen die Umrechnung von Modell auf Großausfiihrung
ohne Kenntnis der Größe der benetzten Fläche.
Für einzelne Flugzeugschwirnmer, Flugboote und Gleitboote kennt man,
mindestens angenähert, bei den verschiedenen Modellgeschwindigkeiten den
Anteil des Reibungswiderstandes am Gesamtwiderstand, z. B. auf Grund der
Beobachtungen bei Modellschleppversuchen. Bild 13 gibt diese Anteile für
(lie Modelle von zwei Flughooten und zwei Gleitbooten, und zwar bei den
Gleitbooten in Abhängigkeit von der Froude-Zahi
, bei den
Flugbooten in
Abhängigkeit von der Größe
-,
wobei Vt die Startgeschwindigkeit bedeutet.
Man kennt damit bei dem Modell für ein bestimmtes
und
den Anteil
Wr
ties Reibungswiderstandes am Gesamtwiderstand
= a = -
und somit für
(liese Abszisse auch
-g=
rund
f = g -
i - a
Dieses i,
bleibt mit guter Annäherung gleich groß für die Umrechnung
in alle Maßstäbe. Die Reynolds-Zahl für die Großausführung
,ist L
läßt sich also jederzeit berechnen. Das zugehörige
kann den Kurven in
Bild i entnommen werden, und damit hat man den Widerstandsbeiwert der
Grotlausführung
la
a
brm-Der Widerstand der Großausführung bei korrespondierender
348 Über den Mafistabeinflull bei Moddllschleppversuchen
Für das Gleitbootmodell Nr. 1169, Maßstab 1: 3'/3, ist für
Um = 3,195mis;
= 0,6;
= 8,106. 106; w = 7,418 kg.
Für Großausführung ist dann
V5=V&fl2=5,38 m/s;
8m312
4.94 1O.Aus Bild 14 erhält man für
=0,6;
rmgm0,3.
0,296.102
-2 gm 03 0,98710 8 =gm - rm
+ Y8= 0,962 10-2
W= w - rn3= 296 kg. gmdamit
700 30 56' 50 4'0 30 405751II---=I
4ff________
Aus Bild i erhält man für
= 8,106 106; rm = 0,296 10-2
= 4,94 10v;
0,271 . 10.
iL 00% 30 57 50 70 80 00 100
U37
Bild 14.
Die Einführung eines Anteils des Reibungswiderstandes am
Gesamtwider-stand von 20% anstatt der tatsächlichen 30%, also ein Verschätzen um
an-nähernd 30% des wahren Wertes, verändert das Endergebnis noch nicht
um 2%.
Die Einführung einer um 20% falschen benetzten Länge bei der
Bestim-mung der Reynolds-Zahi hat auf das Ergebnis iiberhaupt keinen Einfluß.
III. Einfluß des Maßstabes auf den Mitstroin.
In den vorausgehenden Abschnitten haben wir den Einfluß des Maßstabes
auf die Widerstandziffer geometrisch ähnlicher Modelle untersucht. Es bleibt
noch die Frage zu beantworten, ob der Mitstrom bei geometrisch ähnlichen
Modellen für korrespondierende Geschwindigkeiten ähnlich ist, d. h. ob die
Mitstromziffer gleich bleibt.
In meinem Vortrag (11) vor der Schiffbautechnischen Gesellschaft im
No-vember 1930 hatte ich bereits über Ergebnisse von Untersuchungen des
Mît-stromes an zwei ähnlichen Modellen von 3 und 6 m Länge berichtet. In der
Berliner Versuchsanstalt sind diese Untersuchungen an einem geometrisch
ähnlichen Modell von 9 m Länge (Mod. 1137) weitergeführt worden. Leider
konnte wegen Störung der Messungen durch Tankein!luß nur die niedrigere
der beiden Geschwindigkeitziffern
(= 0,228) untersucht werden.
Außer-dem wurden noch Messungen bei der Schleppgeschwindigkeit
Um = 1,5 m/sec
vorgenommen, da das 9-m-Modell (Mod. 1137) dabei die gleiche
Reynolds-Zahl zeigt wie das 6-m-Modell (Mod. 1082) bei
= 0,338.
3%" 32 .ij,,, 1137
2 * 6%
I lJ-5'a/Sec j
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Bild 1%.
Bild 16 zeigt die Änderung der Mitstromziffer dieser Modelifarnilie an
einzelnen Meßpunkten. Bemerkenswert ist zunächst, daß die Unstetigkeit
der Meßergebnisse im Bereich der Reynolds-Zahl 4 106 bis 6 106 sich erneut
bestätigt hat. Die angedeutete, mehrfach treppenförmige Änderung der
Mit-stromwerte ist bei verschiedenen Modellen beobachtet worden, jedoch ohne
daß gleichzeitig eine Streuung der Widerstandswerte aufgetreten wäre. Von
6. 106 ab tritt ein stetiges Absinken der Mitstromziffer ein; Gleichheit des
Mitstrombildes zwischen ähnlichen Modellen bei gleicher R e
y n o 1 d s scher
Zahl ist sicher nicht vorhanden, aber sie ist auch nicht vorhanden zwischen
zwei ähnlichen Modellen für die gleiche F r o u d e sehe Zahl.
Die unterste Kurve in Bild 15 gibt die Änderung der mittleren
Mitstrom-ziffer über der Schraubenkreisfläche mit der Reynolds-Zahi. Auch hier sind
die Unstetigkeiten an denselben Stellen vorhanden, dabei ist die
Mitstrom-ziffer für Mod. 1137 aus den Meßergebnissen mit Mitstromrädchen ermittelt.
Verbindet man die Punkte gleicher Froudescher Zahl durch eine Kurve, die
sich einer Horizontalen im Bereich der Reynolds-Zahlen für Großschiffe
asymptotisch nähert, so läßt diese Kurve erkennen, daß der Abfall der
mittleren Mitstrornziffer über dem Schraubenkreis vorn 6-rn-Modell bis
zur
Großausführung bei einem 6 von 0,57 immer noch etwa 12% betragen wird.
IV. Einfluß des Maßstabes auf Propellerversuche.
In bezug auf den Einfluß des Maßstabes bei Propellerversuchen verweise
ich auf die Arbeit von Herrn Dipl.-Ing. Gutsche von der Preußischen
Ver-suchsanstalt für Wasserbau und Schiffbau, die demnächst veröffentlicht wird.
Ein großer Teil der Ergebnisse ist ja gelegentlich der Konferenz über
hydro-mechanische Probleme des Schiffsantriebs in Hamburg schon mitgeteilt
worden.
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60
330
Über den Mafistabeinliufi bi Modellsehleppversuchen
349
Das Mitstrombild von Mod. 1137 zeigt Bild 15 für
= 0.228, d. i. y =
2,14 rn/sec, auf der rechten Seite und
= 0,16, d. i. u = 1,5 rn/see, auf dec
linken Seite. Auf der rechten Seite sind gestrichelt auch die Mitstromwerte
von Mod. 1082 für die gleiche Froudesche Zahl eingetragen. Man sieht, daß
das Einschrumpfen der Linien gleicher Mitstrornstärke gegen die Mittellinie
der leichten Ladelinie hin sich fortgesetzt hat, allerdings lange nicht mehr
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1- .4fod 7083.1/Om e Mod 1082,1-50m
Bild 16.
VI. Folgerungen.
1. Für die Widerstandermittlung.
Das Froudesche Verfahren kann im üblichen Bereich mit genügend
großen Modellen ohne Bedenken angewandt werden.
Bei verhältnismäßig langsamen SchiiTen, d. h. bei Schiffen mit einer
Betriebsgeschwindigkeit entsprechend
= 0,1 bis 0,25 und einem Verhältnis
von Länge zu Breite
7 soll die Reynolds-Zahi des Versuches
2,5. 10 sein.
Bei schnellen Schiffen mit einer Betriebsgeschwindigkeit entsprechend
= 0,25 bis 0,5 und einem Verhältnis von Länge zu Breite
8 soll die
Reynolds-Zahl des Versuches
7,5- 106 sein.
Kleinere Modelle geben im allgemeinen zu hohe Widerstände.
Bei Sonderschiffen (Motorboote, Gleitboote, Flugboote) soll die
Re-iìolds-Zahl beim Versuch mindestens 2,5. 106 sein.
3fod 7137, ¿-80m [S- f0"28Z/) We,-tee,.eOom 1053'P'37) 0.5 50 55 50 00 02 73 Abb75
350 Über den Maßstnbeinflnß bei Modellschleppversuchcn
V. Einfluß (les Maßstabes auf den Sog bei den Versuchen
,,Modell mit Propeller".
In dieser Hinsicht liegen noch sehr wenige Versuche vor, die praktisch
verwertbares Zahlenmaterial liefern könnten. Theoretisch ist die Frage von
Heimbold behandelt, aber die zahlenmäßige Auswertung dieser Theorie für
die Praxis stößt noch auf Schwierigkeiten.
Über den Mailsiabeinflull bei Modellschleppversuchen 351
2. Für dic Mitstromermittlung.
Bei verhältnismäßig langsamen Schiffen soll die Reynolds-Zahi des
Versuches mindestens 4 106 sein, um einen stetigen Verlauf der
Beiwerts-kurve zu erzielen.
Bei schnellen Schiffen soll die Reynolds-Zahi des Versuches
mm-(lestens 6. 106 sein.
In beiden Fällen ist die so erhaltene Mitstroinzi(Ter noch für
Groß-ausführung richtigzustellen, d. h. sie muß bei Einschraubern urn 10 bis
15%vermindert werden.
3.
Für Propellerversuche.
Die unmittelbare Verwendung der Beiwerte aus dem Modellversuch für
die Umrechnung auf Großausführung ist nicht richtig. Es muß eine
Um-rechnung der Werte unter Berücksichtigung der Kennzahlen der benutzten
Proflischnitte erfolgen. Zahlen als Mittelwerte solcher Umrechnungen, ebenso
die Auswirkung dieser Erkenntnisse auf den Versuch ,,Modell mit Propeller'
müssen weiteren Arbeiten vorbehalten bleiben.
'Wir erhalten mit den zur Zeit üblichen Auswertungsverfahren der
Schleppversuche ganz gute Angaben über die
Verhältnisse der
Groß-ausführung wahrscheinlich dadurch, daß verschiedene Unstimmigkeiten sich
gegenseitig aufheben. Es ist deshalb nicht zu empfehlen, nur einzelne
Richtig-stellungen einzuführen, ehe alle Einilüsse richtig beurteilt werden können.
Wenn ich in meinen Ausführungen offen dargelegt habe, wo unsere
Ein-sicht in das Wesen der Schleppversuche noch nicht den Ergebnissen
voll-ständig gerecht zu werden vermag, so glaube ich doch auf der anderen Seite
auch die Berechtigung zu Modellschleppversuchen und ihrer Umrechnung
für Großausführung nachgewiesen zu haben. Nur die Kenntnis der Untiefen
gibt die Möglichkeit, ihnen aus dem Wege zu gehen.
Ich möchte nicht schließen, ohne auch an dieser Stelle meinen
Mit-arbeitern in der Preußischen Versuchsanstalt für Wasserbau und Schiffbau,
insbesondere Herrn Ing. Rachals und Herrn Ing. Boteck, für die sorgfältige
und gewissenhafte Durchführung der Versuche sowie ihre Auswertung und
Umrechnung meinen Dank auszusprechen.
VII. Zusammenstellung der Bezeichnungen.
Für benannte Werte beziehen sich große Buchstaben auf
Großausführun-gen, kleine Buchstaben auf das Modell.
B, b
Breite
D, d
Verdrängung in Tonnen
F, f
benetzte Fläche
Froudesche Zahl = y:
g
Beschleunigung der Erdschwere
L, ¡
Länge
m
Maßstab
Reynolds-Zahi = y i
: yGeschwindigkeit in Meter-Sekunden für das Schiff
Geschwindigkeit in Meter-Sekunden für das Modell
Startgeschwindigkeit von Flugbooten
W, w
Gesamtwiderstand
Wr
Reibungswiderstand
y
spezifisches Gewicht des Wassers
spezifisches Gewicht des Seewassers
Beiwert des Gesamtwiderstandes
Beiwert des Gesarntwiderstandes für das Schiff
352 Über den Maßstabeinfluß bei Modellschleppversuchen
Beiwert des Reibungswiderstandes
rs
Beiwert des Reibungswiderstandes für das Schiff
rm
Beiwert des Reibungswiderstandes für das Modell
Beiwert des Form- bzw. Restwiderstandes
Beiwert der Reibung nach Fronde
Beiwert der kinematischen Zähigkeit
e
Dichte=y:g.
VIII. Literaturverzeichnis.
S e e w a 1 d, Jahresbericht 1931 der Deutschen Versuchsanstalt für Luftfahrt.
B r u e k h o f f, Kritische Betrachtungen über Formeln für Schleppversuche, Werft
-Reed erei - Flafen 1920, S. 350.
T e 1f e r, a) Shipresistance Similarity, Transactions of the Institution of Naval Archi-tects 1927.
b) Frictional Resistance and Shipresistance Similarity, Transactions of the North-East-Coast Institution of Engineers and Shipbuilders 28/29. W. F r o u d e, Report of frictional resistance of water 1874.
G e b e rs, Ein Beitrag zur experimentellen Ermittlung des Wasserwiderstandes
be-wegter Körper, Schiffbau 1907/08.
B r u c k h o f f, Froudesche Formel und Bruckhoffsche Zahl, Werft - Reederei - Hafen 1921, S. 327.
G e b e rs, Die Bruckhoffsche Zahl und die Froudesche Formel, Werft Reederei
-Hafen 1921, S. 67.
E i s n e r, Erörterung zum Vortrag Akimofi, Jahrbuch der Schillbautechnischen Gesell-schaf t 1932.
E is ne r, Der Widerstand von dünnen, langsangeströmten Platten, Schiffbau,
Jahr-gang XXXI, Heft 22.
L e r b s, Die neueren Messungen des Druckverlustes in Rohren, Werft Reederei
-Hafen 1930, Heft 17.
W e i t b r e c h t, Mitstrom und Mitstromschrauben, Jahrbuch der Schifibautechnischen Gesellschaft 1931.
W e i t b r e c h t, Erörterung zum Vortrag über Reibung auf der Konferenz für
hydro-mechanische Probleme des Schilisantriebs, Hamburg 1932.
N i k u r a d s e, Strömungswiderstand in rauhen Rohren, Zeitschrift f. angew. Math, u.
Mech. 1931, S. 409.
S o t t o r f, Einfluß des Maßstabes bei der Untersuchung von Flugzeugschwimmern, Jahrbuch der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Luftfahrt 1932.
L. P r a n d t 1, Diskussion zum Reibungswiderstand, Werft - Reederei - Hafen 1932,
Heft 14.
Nachtrag.
Die vorliegende Arbeit ist im Frühjahr 1932 abgeschlossen und war
bereits in den Druck gegeben, als mir Einzelheiten aus dem Vortrag von
Herrn Ministeriairat Schlichting bekannt wurden. Außerdem sind in der
Zwischenzeit verschiedene einschlägige Arbeiten veröffentlicht worden. Ich
habe im mündlichen Vortrag darauf hingewiesen und gebe diese Punkte
nachstehend zusammengefaßt, einschließlich meiner Stellungnahme zum
Vortrag von Herrn Ministerialrat Schlichting.
Die zwei Arbeiten greifen die Frage der tïbertragbarkeit des Mode
il-versuchs auf Großausführung an ganz verschiedenen Seiten an. Mein
Vor-redner untersucht in vollständig neuartiger Weise die Kurven der
Wider-standsbeiwerte der einzelnen Modelle und die Beziehungen innerhalb der
Modellfamilien. Seine Arbeit ist eine vorzügliche Grundlage für die
Ein-führung eines geänderten Umrechnungsverfahrens. Ich versuche mehr
empirisch, mir über die Beziehungen innerhalb der Modelifamilien
Klar-heit zu verschaffen. Die Abmessungen der untersuchten Modelle innerhalb
der einzelnen Familien zeigen bei mir größere Unterschiede, da ich auch
kleinste Modellgrößcn in Betracht ziehe, von denen bekannt ist, daß sie
für die Übertragung auf Großausfiihrung im allgemeinen nicht verwendet
werden können. Meine Feststellungen werden zum großen Teil bei der
Praxis des Schleppbetriebes bereits berücksichtigt, sie sind jedoch meines
Wissens noch nirgends klar ausgesprochen worden.
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Bild 17.
sich bis jetzt übersehen läßt, kann die Vollturbulenz mit einem solchen
Draht oder durch Aufrauhung schon bei verhältnismäßig niedrigen
Rey-nolds-Zahlen und damit verhältnismäßig kleinen Modellen erreicht werden.
Der Draht muß nur dick genug, d. h. mindestens 0,5 mm, wenn nicht
0,8 mm, genommen werden.
Wir hoffen, in kurzem über die Ergebnisse dieser Versuche berichten
zu können.
Was nun den Abfall der Kurven gleicher Froude-Werte im Bereich der
eigentlichen Schiffe betrifft, so ist in der Zwischenzeit die Unrichtigkeit
meiner Annahme in Absatz II i d, nämlich, daß bei gleicher
verhältnis-mäßiger Rauhigkeit der Abfall ungefähr parallel den Reibungsbeiwerten
für glatte Platten bei turbulenter Strömung erfolgt, durch die
Veröffent-lichung von P r a n d t 1(15) nachgewiesen. Aus dieser Arbeit von Prandtl geht
hervor, daß die Reibungsbeiwerte rauher Platten auch bei verhältnismäßig
kleiner Rauhigkeit schon wesentlich höher als die glatter Platten liegen,
und zwar um so höher, je höher die Geschwindigkeitszahl
ist.
Bild 17
gibt den Verlauf der Reibungsbeiwerte rauher Platten über der
Längen-Beynolds-Zahl für verschiedene Froude-Zahien bei einer Korngröße der
Rauhigkeit von 0,3 mm.
Jahrbuch 19l3 23
Über den Malistabeinfluß bei Modellschleppversuchen 353