21 NOV. 1913
RCHLEF
ntersucl1uI1gC1I uber (lie WirkUlig von Turbulctizerrcgern
u11(l cinige Beuiei'kungen zur Yersuchstechnik
mit kleiiiereti
SchiffsI1ode1len*)
Mit teilung aus dein I iit it itt für Titcoric des. SchilTes dci Techit iselict)Fulutltiit an der Univet'sit.iit 1ostock
Dircktor: Prof. Dipl.-Iiig. K. Th. Biatin
Von Dr.-Ing. (atzcr, Rostoek
1. Einicituflg
Das Inst itut für Thcorie des Schiffes vcrfügt jiber chic modern eingerichtete schiffbauliche Vcrsuchsanlage. die in ihren Abmessungen so ausgelegt. ist, daI3 ich naliezu urtiverselic Untersuchungen an Schiffsniodellen in (icr (JrUf3e Volt etwa 2 his 3 m vornehmen lassen.
Bei VerMte]lCfl mit soleli kleinen ()bjekten konnen sich je(Ioclt infolge des uniei'schiedlichen Stromungszustan-tli's an Modeil urici ( roBaitsfiihrung erhebliche Schwie. rigkciten Ijci dci' Umrechnung dcr Vcrsuciisergebnisse
Model ergeben.
Bedingt durch diese Situation wicimet dos Institut in seiner Forschungstdtigkeit der lJntersuehung tier
Ma stabseffekt e em besonderes Augeninerk.
Schr staik wirken sicli geracle hei Modeilen dci
vorge-rtennten Orol3e Laniinareinflüsse Otis. Aher auch bei
grol3eren I\Iodellen sind diese Effekte nieht
unbetrdeht-Iich.
Die für die Exti'apoiat ion tier Modellversuehsergeb
-nisse verwencieten Reibungslinien erfordern für ilire Oultigkeit von dci' Eintrittskante des Korpers an
Turbulenz. Dci' natürliche Stromun gsums'cldag erfolgt je
-doch erst nach einer ge\vissen, -vorn Druckgradienten nod Tui'bulenzgrad der Anstromurig abhtngigen Laiti.
hinge.
Bei Schiffsmodellen treten nach Messungen von
koslou [1] sogar bei Revrioidszahien von 5 106 und 10 noch laminare Anlaufstreeken zvischen 4% und 20% der Modeiiiingc unci damit zu kleine Rcihungsbeiwerte auf.
Urn den Grenzschichtumschlag mogiiciist nahe am Vorsteven zu erzwingen und dantit Laniinareinflüsse
30
Lab.
v. Scheepsbouwkunde
Technische Hogeschool
Delfi
weitgciiend zu eliminieren, ist bei den ant iTS
ver-wendet.en Modellen ci ie Benutzung von virksa men Tur-I,ulenzerregern circe unbc'dingte Notwend igkeit.
Genereli wiril bier jedes 3iodell vor den Versuchen
mit, solehen Storkorpern versehen.
Neben don übIichen Stolperdrãhten. tile i. a. auf 3% L von vorn angeordnet werclen. sind eine Anzahi anclerer dreidunensionaler Turbulenzerreger. wic zylincitisehe, quadiatisehe ocler prismat isehe Stifte, Nägel. SartdkOi-net' usw. ernf)fOhlefl iiiid verivendet worderi.
Bereits bei den in tier provisorischen Vei-suchsanlage des Iiistituts durchgeführten Moclellunt ersuchungen zeigte sicli, daB die nach Plattenkritetien und tinter dem Gesichtspunkt minimalon Eigenwiderstandes gewàhlten
örtlichen Oberflachenrauhigkeiten auch unter
Berlek-sicht igung der grenzsch ichttheoretischen Annahme des Schiffes als Platte vollig unzureichende Ergebnisse lie-ferten. Bei geringeren Geschwindigkeiten wurde keinc gentigende Wirkung mehr erzielt.
Diesc Miingel waren Veranlassung. in den letzten .Jahren umfangreiche Untersuchungen Ui)er die Wir-kung und Eigensehaften verschiedener am ITS benutz-ter Tui-bulonzerreger vorzunehmen.
2. Urnschlagsuntersuchungen an Platten
Die meisten Lmschlngsun t ersuchungen an zwei- un d droidimensionalen Rauh igkeiten wurden bisher in
Wind-) Per vorliegetide iufsatr st tite ieclerscIirift etnes Vortrtties. tier tot Mat 1965 auf detit Internationakn Sympo.tiuliI ..Moderne Uotenucluuigs-atetlioden tier Schittteciuitk iii liostock geimiten wurde.
schiftbauforschUflg 5 1:21966
,
t'
c<
-7,
.-'_4 (kandlen, in
der Mohrzahl an glatten
Platteii mit dp/dx = 0 vorgenommen.Die Ergebnisso wurdon in Form von krltlscherL
Hey-noldszahlen mitgetei]t Bekannt sind unter anderem
die Arbeiten von Fe-i ndt. [2], Kraemer [3], Kiebanoff [4] und Tagor-i [5].
Für übliehe Drdhte wurdon Werte für die kritische
Kennzahl zwischen 300 und 400 gefunden. Bei einern starken Druckgefdlle von m 1 erhielt Kraemer einer Wert von etwa 700, wobei sich hier die Stromung nach ciner gewissen Lauflange wieder stabilisierte. Ahnliche
Terte wie für Drdhte wurden auch für Sandrauhigkeiten bestimmt.
Für kleine, kugelformige Rauhigkeiten fandén Kieba-noff und T-idstrorn eine kritische Reynoldszahl von 577. Taçjori untersuchte dine Vielzahl von zwei- und
drei-dimensionalën Rauhigkeiten und ermittelte in
Abhdh-gigkeit von der Rücklage kritische Kennzahlen zwischen 75 und 1500.
Diese Arbeit enthült auch Angaben übor
Ei.regcr-widerstand sbeiverte.
J)je theorctisch untere Urenn für I4ej.j Iiegt bci uk . k
25.
V
Die Wirksamkeit von verschiedenen Turbulenzer-rogern an der glatten Platte ldIlt sich demnach durch
foste Gesetzmdlligkeiten beschreiben und vergleichen. 3. Untersuchungen an Schiffsmodellen
Für em gegebenes Schiffsmodell ist es jedoch schwie-rig, Angaben über die Brauchbarkeit von Rauhigkeits. anordnungen in Form von Kennzahlen, wie bei Platten ünd ihro Auswirkung auf den Widerstand, geschweige
denn quantitative Aussagen uber den EinfIull
derSchiffsform auf die Wirksamkeit der Erreger zu machen.
Das Sohiff ist
em vie1gstaltiger, dreidimensionalerKorper. Seine Form und die Stromungsvorgünge urn den Rumpf sind bis jetzt analytisch kaurn erfaflbar. Die
er-gorderlichen Grenzschiohtkenngrollen sind exakt nur
clurch sehr aufwendige und komplizierte Messungen zu ermittoin, wobei sich die relativkurze Mel3zeit hci der
ubliähen Anordnung - Modell am Schleppwagen - im
Kanal sohr erschwerend auswi rkt.
Daher wurden die in den Werten manchmal sogar
recht unterschiédlichen Ergebnisse yon
Plattenmessun-gen, in entsprechende Form gebracht, zur Beurteilung
der Brauchbarkeit von Turbulenzerzeugern an
Schiffs-modeflen verwendet. Dieses Verfahren kann nur eine
grobe Ntherung darstellen.
Bisherige Untersuchungen in dieser Richtung an
Schiffsrnodellen haben in der Mehrzahl nur informatori-schen, qualitativen Charakter oder silid Einzelmessun-gen.
Die Untersuchungen im Rahmen des vorgesehenen Programrns wurden mit der Zielsetzung durchgeführt,
an vier Modellen - Platte, Rotationskorper. Modell
und Doppelmodell des -Victory-Schiffes - gesetzmallige Z usammenhange wischen Grenzschichtumschlag, Tur-bulenzerregerparametern und Widerstand unter den im Schlepptank üblichen - Bedingungen zu erniitteln, und Aufschlüsse über den Eigenwiderstand der verwendeten
Turbulenzerreger zu erhalten. Weiterhin interessierte
neben der absoluten GroI3e des Erregereigenwiderstandes
auch sein Einflul3 bei den am Institut für Theorie des
Schiffes üblichen ModellgroI3en auf den
Gesamtwider-stand.
-Schif!baufOrschun-g 5 1/2/1965
4. Anordnung und Durchfuhrung der Modeilversuche
4.1.- 1urb-ulenzerreger
ie Messungen wurden an verschieddnen, für Voi-suche mit kleineren Modellen henutzten RauhigkeItcn vorgenommen. Neben zwei Drdhten von 1,05 und 1,55 mm Durchmesser wurden dreidimensionale. zy1irdrische.
Einzelrauhigkeiten von 1,05 und 2,05 mm Hdhe bei
3mm Durchmesser sowie droieckige Stifte von 1,05 mm Hdhe und unterschiedlichem Abstand voneinander Un-tersucht, urn die Auswirkungon der Abmesspngen der Störkorper zu erfassen. In einigen Fallen wurden auch VersUche mit Scheibchen von 6 mm Durchmesser durch-gefuhrt.
AuJ3er diesen bekannten Rauhigkeitstvpen solite cia
heuer, gernischt zwei-/dreidi mensioialer Erreger auf seine Brauchbarkeit hin flberpruft werden. Er hesteht
aus elnem 0,5 mm dicken Kupferdraht, auf dem in Ab-ständen von 5 mm Drahtteilchen gleichen Durchmessers
und 5 mm Lange aufgelotet waen. flier interossierte,
-wieweit sich infolge der Verbinclung dor Eigenschaften von Drdhten und diciclirnensionalon EinzelrauhiglccitcrL eino Verhosserung dcr Wirksainkeit eiziolen liillt.
Alle Errogor wurden bei \'ier Rücklagen im Beroich
von 3 his 14% der Lunge von der Eintrittskante
eat-fornt untorsncht.
4.2. Turbulc-nz-nte/iei-ni--ic/ilunq
-Bci der Vielzahl der Versuche konnte nur em Me13-verfahren benutzt werden, das eine unmittelbaro
Be-obachtung und Registrier-ung des Stromungszustandes
wdhrend des Versuches am Modell gestattete. Diesen
Forderungen entsprach am besten die
Hitzdrahtmetho-de. Das Mellprinzip beruht auf der Abhdngigkeit des
Wiirmeverlustes, und damit des Ohmschen Widerstan-des eines elektrisch beheizten Drahtes vom Zustand der den Draht umgebenden F1ilssigkeitsstromung
Auf did Anwendung cines Farbindikators urde nur
in einigen Sonderfdflen, z. B. ziir Ermittlung des natür-lichen Umsehiags am Schiffsmodell zurückgegriffen.
-Die Me13eber sind als zylinclrische Korper mit einem Platin-Hitzdraht auf der Stirnseite in Form einer kleinen Schleife versehen. Diese Geber warden flber den interes-sierenden Bereich der Rdcklagen his auf etwa 20% der Lange hin bilndig in die Modelloberflache eingelassen.
Bei dieser Anordnung war nicht nur die Ermittlung des IJmschlags unmittelbar hinter den Rauhigkeiten
gegeben, sondern auch die Mogiichkeit der Beobachtung der Ausbildung des voliturbulenten Stromungszustandes.
Der Heizstrom der Geber wurde klein gehalten, urn
die Abscheidung von Lüftblasen und damit Verfdlschun-gen des Signals zu vermeiden.
Von den Hitzdrahtsonden kommen die Signale an den Eingang einer transistorisierten Vorverstärkerstufe mit einer Verstdrkung von etwa 54 dB. Zwischen den
Atis-gang dieser Stufo und den Oszillografenversturker ist
zur Filtorung langwelliger Sdhwingungen, die die
Be-obachtung der turbulenten Schwankungen stark er-schwerten, em Hochpall geschaltet wordon.
Zur Registrierung der Mel3werte witrde em
S-Schlei-fonoszillograf verwendet.
-Auf Grund des hohen Storpegels auf dern Schleppwa-gen war es notwendig, sämtliche LeitunSchleppwa-gen
ahzuschir-men und die Verstärker diirch einen
Isolierstdiltransformator galvanisch vom Netz zu trennen.
-Die Gesamtanordnung fand auf der Mel3buhno des
Schleppwagens Platz.
-In Bild 1 sind die Geriite und em Blockschaltbild gezeigt.
32
r
S MSI
HG 4.3. Mode/laDie für die Versuche verwendete Platte ist aus PVC gefertigt unci besitzt die Abrnessitngen 2000 x 700 x 8. Em- unci Austrittskanten sind als Halbellipsen mit elnem Achsenverhdltnis von 25: 1 ausgebildet, urn die Uber-geschwindigkeiten am KOrper klein zu haltcn. Die Dicko
der Platte 1st durch den Einbau von Mel3gebern und
Zuleitungen bedingt.
Der Rotationskorper, in semen Hauptabmessungen
clem verwendeten Schiffsrnodell weitgehencl angenahert, wurde auf halber Kanaltiefe geschleppt.
Bei der vorliegenden axialsyrnmotrischcn Stromung lassen sich die GrenzschichtkenngroI3en für den
interes-sierenden Bereich des Korpers analytisch recht genau
ermittein und damit die Mef3ergebnisse eindeutig aus-werten.
Die Meridiankontur des Korpers und die
Geschwin-digkeitsverteilung sind aus der tTberlagerung amer Dipol- and Parallelstromung berechnet worden. Die
Dipolverteilung wurde als Polynom 8. Crades angesetzt.
Die Hitzdrahtgeber sind in einer Reihe his 0,5 L hin
angeordnet.
Als wichtigstes Vorsuchsobjekt ist em Modell einer Geosim-Reihe des Victory-Sehiffes im Mal3stab 1:48 untersucht worden. Es entspricht in semen
Abmessun-gen - die Lunge hetrdgt 2,824 rn - den am ITS
übli-chen Modellgrof3en. HR HP
I!
1(0 SoMchrere Mellgehei waren irn Beieich von Spt. 8.5 bis 9,75 in bestimmter Verteilung in die Modelloberfiuiche einschlielllich Kiel eingelassen.
i)amit ist die Moglichkeit gegeben, bei iihnlicher Vor-schiffsform und ublichen Erregerrhcklagen hinsichtlich der Mellergebnisse Schlul3folgerungen für andere Model-grol3en zu ziehen.
Urn den Einflul3 des Primdrwellensystems auf don
Umschlag laminar-turbulent eIen-iinieren. and die Aus-wirkung der Turbulenzerreger auf den
Reibungswider-stand erfassen zu kännen. wurde vom vorgenannten Schiff em Doppelmodell mit den gleichen Abmessungen wje vor untersucht.
Sdmtliche Messungen sind im Schleppkanal des
In-stituts vorgonommen worden.
FUr die Platte und die beiden tiefgetauchten Körpor wurde eine Vorrichtung entworfen, die es erlaubte. die Modolle in gewissem Mal3e frei beweglich am Schlepp-wagen anzubringen (Bud 2).
Die Aufhiingung üher Wasscrbehdlter, Schwimmer und einige Verbindungselomente verhindert nicht nur die ibertragung von unerwunschten Vibrationen, die zu einom vorzeitigen Umschlag der Stromung führen
können, sondern gestattet auch eine einwandfreie
Em-stellung des Tiefganges und eine von der Verbinthmg
Schleppwagen-Objekt kaum beeinflul3te Messung des Widerstandes.
Schlfibnurorschung 5 12/1966
if
J?/d 1. Iii rl)ulcnzlneueinricIItung
form atop HG Hltzdrahtgeber T /solierst el/trans
S Strom versorgung H8 Heizbat Eerie
MS Mel3ste//enumschalter HP Hochpaf3
I
Vorverstarker KU /(aThodens/rahloszillograf7 Wasserbehdlter 2 Schwimmer 3 Verbindw7g 4 Halt erungstrdger .5 Arretiervorrichtung 6 bis 9 Grczdfahrungen 10 Trfmrnausgieich 11 Sch/epphaken 72 Schleppstrebe 13 St er/c /conla/c/e 14 Klemmvorf'ich I urig win Ilild !. Vcrsiiclisa,iorduung für
Durch entsprechondo Dimensionierung der
Schlepp-strobe konnte die Becirfiussung der Stcomung tim die
Modelle ernachlassigbar klein gehalten werden Alle
Korper waren bei An[ahrt und Bremsen durch die
A rretiervorr ichtung mit dem Schleppwagen verbunden.
Die gesamte Anordrung 1st sb ausgelegt, daB aUe
Verbindungn, schnell lösbar, einen kunzeitigen
Em-cind Ausbau dor Modelle erlauben. VersuchsdurchfühU.ng
Die Messungen wurden rnnerhalb cmos Cschuindi I eitsbereiches von 0 his 1 65 rn/s vorgenommen Die I,.ritische Geschwindigkeit bei der sich an alien Me13
gebern turbulente Signalo zeigten,
wurde in etwa
10 Fahrten mit jeweils urn 1.5 bis 2 em/s erhohter
Ge-schwindigkeit ermittelt. Auf diese Weise konnte Vkr recht genau erfaBt werden. Der interessierende
Ge-schwindigkeitsbereich 1st nach Plattenergebnissen vor-gcschdtzt worden
Die Zeit zwischen zwoi Fahrten war so bemessen, daB
StOrungen durch Stromungen and WelleneinfluI3 mit
Sicherheit ausgesehiossen sind.
Gemischte und vdllturbulente Stromung lassen sich
im Osziliogramm eindeutig unterscheiden. Ergebnisse der Versuche
Die Ergebnisse der Tarbublenzrnessungen warden wië ublich uriter Bezugnahme au.f die ichtigsten EinfluB-groBen dimensionslos in der Form
11k k
-
(Uk. Xk)Schif!ba.uforschung 5 1/2/1966
unIT
f(Uk
f< V
dargestelit und analysiert. wobei die kritische Reynolds-zahl etwa als spezifisehe Wirksarnkeit aufgefaBt werden
kann. Fur die errnittelten kritiSchen Kennzahlen liegt
über den gesarnten untersuehten Bereich hin tu.bulentc Stromung vor.
Bei der Messung der Wirbelfrequenzen hinter
Rauhig-iceiten an der glatten Platte werden instationiire Vor-giinge betraehtet. Urn auch hier die Ergebnisse
maB-stabsgetreu uhertragbar zu halten, wird in der
AILS. wertung die Strouhalsehe Ahnlichkeitskennzahl einge-führt. Die Mel3ergehnisse lassen sich durch die Auftra-gung der dimensionslosen Wirbelfrequenz als Funkt ionder mit der Rauhigkeitshohe gebildeten Reynoldszahl
= (uk. k) reeht gut ordnen.
Zur Bestimmung nor in den benutzten Parametern
enthaltenen GrenzschiehtkenngroBen muI3 die potential-theoretisehe Geschwindigkeitsverteilung U/Uoo urn die Modelle bekannt sein. Dieses Verhaltnis wurdo fur die
Platte mit elliptiseher Em- und Austrittakante
zwei-dimensional mit einem Singularitatenverfahren berech net. Da die Platte ohne Ansteilting gesehleppt wird und
nur Kariten und Oberflächeneinfluf3 wirken, ist diC
Annahrne der ebenen Strornung bei dern vorliegenden Langen-Tiefgangsverhdltnis von 3,57 gerechtfertigt.
Für den Rotationskörper ist das
Geschwindigkeits-vorhaltnis obenfalls analytisch erfal3bar. Die Gleichung
33
n.k
Ukist für diesen Fall koinpliziertei and nud3 grafisch duLell Interpolation für verschiedene Aufpunkte der Korpei-kontur gelöst werden.
Die analytisch sehr komplizierto dreidirnonsionale Ge-schwindigkeitsverteilung urn das Sehiffsrnodell wurde auf experirnentellern Wege an einem Kunststoffmodell irn Mal3stab 1: 144 im ,,Elektrolytischen Trog" ermittelt. Da für Schiffsformen auch eine nãherungsweise Lö sung der dreidimensionalen Grenzschichtglei ehungen z. Z. noch nicht moglich ist, sind die weiteren
Rechnun-gen mit der Geschwindigkeitsverteilung auf 3/4 des
KWLTiefganges durchgefithrt worden.
Bei den relativ geringen Versuchsgesehwindigkeiten zur Ermittlung des Stromungsumschlágs ist die Wellen-bildung. einerseits noch klein; andererseits ist die
Nei-gung der Stromlinien in unmittelbarer Wandnähe im
betrachteten Bereich mit etwa 8 bis 100 so gering, daI3 hier die Benutzung zweidirnensionaler Verfahren für die Grensehichtrechnung mit der experimentell erm ittelten, potentialtheoretischen Geschwindigkeitsverteilung zu-ldssig erscheint. Grenzschichttheoretisch wird also das Modell im betrachteten Bereich durch eine tiquivalonto Wasserlinie ersetzt.
Die laminaren Grenzschi chtkeni&groBen w urdcn für alle Modelle nach einem Verfahren von Smith [6] durch
sehrittweiso Anwendung dee dhnliclen Losungen
er-mittelt. Hier wird die vorliegende potentialthooretische Geschwindigkeitsverteilung in einom bestimrnten Lan-genintervall durch die einer Keilstrornung mit dern uber das Intervall hin konstanten Keilwinkel z9 angenahert. Die Grofie /3 enthält den Geschwindigkeitsgiadienteri clU/dx und wird hierbei als Formparametcr der larnina-ren Geschwindigkeitsprofile benutzt.
Da weder die Stabilität der Profile noch die Ablose-stelle der laminaren Grenzschicht interessierte, genllgte die Genauigkeit diesés einparametrigen, zweidimensio-nalen Verfahrens. Für die axialsymmetrisehe Strornung am Rotationskorper konnte die Rechnung nach
Anwen-dung der Mangler-Transformation nach der gleichen
Methode darchgefuhrt weiden.
7. Einfiüsse aus der Versuehsanordnung und Versuchsdurchfuhrung auf the Ergebnisse
Vor der Behandlung der Ergebnisse sollen noch elnige Bemorkungen zu den Einfiüssen ausder
Versuchsanord-nung und -durchfuhrung auf die Ergebnisse gemacht und eine Abschatzung dee moglichen Fehler gegehen
werden.
Bedingt dureh die Befestigung der Rauhigkeiten an
dci Korperoberfiache mit Plastiline zwecks Vermei-dung. von Farbschäden - muf3te eine gewiése Toleranz
von maximal ±5/100 mm von einem Mitteiwert, cler
mit einer MeBuhr bestimnit würdo, zugelasson werden. Ferner 1st dutch die bereits erwähiite diskontjnujerliche Ermittlung dee kritischen Geschwindigkeit eine weitere
Fehlermoglichkeit vorhanden. Aiif Grund. dioser Em. fiüsse kOnnte em maxirnaler Fehier von 12% his +9%
auftreten..
Die stürksten Streuungen in den Mellwerten liegen
für 3 Mel3punkte bei ±7% Bei alien anderen Versuchen weichen die Messungen nIcht rnehr als ±4% vom Mittel ab;
Em weiterer, wenn auch geringfugiger Fehler, wird
bei den Versuchsergebnissen für die Schiffsmodoile,
be-dingt duirch die zweidimensionale
Grenzschichtrech-nung, vorhanden sein. -.
Bei den Widerstandsmessungen ist der Fehier erheb-lich kleiner.
Infolge der hohen ($eschwindigkeitskonstanz des Schleppwagens, der weitgehenden Reibungsfreiheit der Anordnung und der grol3en Empfindlichkeit des Dyna-mometers, liogt doe mittlere Fehier dee Einzelmessungen
für alle Versuche zwischen 0,2 und 0,6%.
Dee KaiiteñeinfluB infolge des endlichen Tiefgangos an der Platte lai3t sich weitestgehend durch Differenz
bildung dee Werte aus den Messungen bei zwei
Tief-gdngen elirninieren. Damit entsprechen die Ergebnisse
dem zweidimensiorialen Fall. Die bei der Ermittlung
des Sti-ebenwiderstandes fehiende Endscheibenwirkung der. tiefgetauchten Modelle dürfte kaum einen nennens-werten EinfluB aüf die GroI3e der CT-Werte ausuben. Der Luftwiderstand ist bei den geringen Geschwindig-keiten bei alien Versuchen vernachldssigbar kiCin. 8. Versuchsergebnisse
An der glatten Platte stimmen für den 1,05 mm hohen IDraht die Mel3worte
300 400
mit den anderen veröffentl ichten Ergebn I sscn übere in (Bild 3).
Es ird bcreits hier bestätigt, da irn Gegensatz zu
älteren Ergebnissen die Drahtwirksamkeit nicht durch
eine konstante kritische Reynoldszahl beschrieben
wer-den kann. Bei dem 1,55 mm hohon Draht liegen die Kennzahlen zwischen 500 und 525. Analog gilt diese
IJild J.
Greuzsehichtutuseklag hiuter
Turbuleuzerregeru an der ghit-ten Platte
-
(Uk. xii) 8011 600 4 (0k 1 Draht 2 Draht 3 Stifle 4 Stifte =105mm Ic = 5.5 mm Ic =Z05 rnm1d A=Ornm =Z05mrrd A 6 mm 6m &r1O0mm
.)
° 2 2nn, --I- I : I . I I 34 Schiffbaurorschung 5 1/2/1966 4 8 12 16 20 24 -V 3 'inn 3mm0.8 4 V 1 Draht 2 Draht .3 Stifle 5 mu/-Err. 6 'enz.-Err 12 16 o V
Feststellung auch für die zylindrischen dre idirnensiona-len Raiihigkeiten.. Recht brauchbar ist der von Bidgely-Nevilt [7] vorgeschlagene Inui-Erreger. Jedoch wurde seine Wirksamkeit offensichtlich ubersehatit denn man
sieht, dal3 seine kritische -Kennzahl sich nicht sehr wesentlich von der eines Drahtes mit etwa gleicher
Raahigkeitshôhe unterscheidet.
Die eindoutig besten Eigenschaften eigt die erstrnalig untersuchte Kombihation von zwei- und dreidimensio nalen Raahigkeiten, bei der Kennzahlwerte von
Uk k
290
225
V erreicht werden konnten.
In Bud 4 ist das Verhltnis von Rauhigkeitshohe zu Grenzschichtdicke als Funktion der dimensionslosen
Rücklage gezeigt.
In keinem Fallé ragen die Storkörpor aus der lamina-ren Glamina-renzschicht heraus. Auch an dieser Darstellung ist ersichthch daB sich die Wirksamkeit einer bestimmten Erregerariordnung unabhangig von der Hohe der
Rau-}igkeit nicht durch eine Konstante kennzeichnen lallt. Das besttigt Tagoris Ergebnis [5]. Ferner zeigte sich, dalI die hinter dreidimensionalen Rauhigkeiten
ent-stehenden Wirbel, wie auch bei Drähten, erst nach ether gewissen Lauflange turbulent zii zerfallen beginnen, urn scblieBlich in den turbulenten Stromungszustand über-zugehen Unterhaib der kritischen Geschwindigkeit
werden diese Wirbel, die als periodische Sehwingungen aiif dem Oszillogramm sichtbar sind, laminar dissipiert. Auf Griind dieser Erscheinung wurde für versehiedeno
Rauhigk-eiten die Differenz zwischen Umschlag und
Rücklage gemessen (Bud 5).
Tm unteren Bildteil ist das Oszillogramm einer
Wirbel-umbildung gezeigt. Aus der Darstellung in der oberen
Bildhalfte ergibt sich, dalI auch bei dreidirnensionalén
Storkorpern der Abstand zwischen Rauhigkeit und
Umschlag im Mittel durch ems Reynoldszahl von 10gegeben ist.
Die Frequenzen der Wirbel hinter soichen
Rauhig-keitenwurden gemessen und analysiert. Die Ergebnisse sind im Bild 6 gezeigt.
Der Sborkorperdurchmesser übt offenbar hinsichtlich der Wirbelbildung gegeniiber der Höhe der Rauhigkeit nur einen untergeordneten Einflull aus, denn die Werte
für Scheibchen mit 3 und 6 mm Durchmesser
unter-scheiden sich nicht wesentlich. Das gleiche gilt auch für ihro Wirksamkeit als Turbulenzerreger (510 und 450). Ferner sieht man, daB sich die Strouhalzahl für
Stör-elements gleiCher Hohe aber unterschiedlicher Form enem konstantèn Wert von etwa 0,175 nàhert.
Schiba.uforschung 5 1j2/1966 Ic = i3O5rnfrz A=1,iirzm A=105 min d=3mm A=6 mm A-2.OSmm;d=Smm A=6mm -Ic= O5mm;4=6rnrn /i=1,00mm 16' 12 8 4 20 24 IhW 1
GrenzscJiichtiiiiccIiIag liii Ler
Turbtileriz-erregern an der giatten 1'latte k (UI.xk
àk (\ V
-7/50s
A AA
Bud 5. Vinsclflag hinter Rauhigkeitcn an der glattea 1'latte
Bemerkenswert ist, dalI bei allen vier untersuchtcn
Rauhigkeiten unabhdngig von Form und Höhe der
Einzelelemente der Umschlag bei einer annahernd
kon-stanten Strouhalzahl von 0,155 eintrat.
Aus den Ergebnissen dieser Messungen kann zusam-menfassend gesehIulIfolgert ireldeh, dalI im Rahiiien der untersuchten Variationen. bei dreidimensionalen
35
I
-Daht k=05mm . Dram A=issrnm .S'tifte Ic o Scheiben Ic Mcd. lnai -I o St/fEe 1c2.O,5mm.d3rnm Ic=1,O5mni = 05 mm Z05mm ; d Err. -6mm-I/////
-I-
- I 8 12 15 U== -rk V41)0 600 800 - 1000 7200 1408
4
Liii) 7. G renzachichtumschlag hinter TurbuletLzerregern aili
Rotations-kOrper
8
4 6 8 10
7O41,X1 Bid S. Grenzschiehtwrisehlag hinter Turbulcnzerrcgerii -aiu
Rotations-kSrper
Is /Uk.ik
=fI----6k\
J.ii1d 6
WirbelbiLdutig hinter
dreidimen-siotrnleii Einzelrauliigkeiten a ii der glatten Platte
Schiffbauforschung 5 12/1966 -:
(k
2J-.Si
ekli
rz/feAm
mcebnk7nn6naQMd
u Er
, m -I-(2
2DatA7.5-3Sil
=Wrm3r
k/lk
r/
i 57mAm:
en-r' =ZOm
-
I
- 1 Dra/it A = /05 m 2 Draht lc= 755mm 3 Stifte A 05 mm; d3m772 2 4 StIfle k=ZC5inm; d=3mm A=6rarn.-
5 Inul-Erreqer A = 705mm A=Omm 5 iIMIIiiiui..__ 6 ttern.-ErregerA= 0mm -16 12 14 12 14500 600 400 200 0,4 0,8
&
Platte, dor hier bei dp/dx = 0 eine Funktion der Kanal-turbrilenz ist, gemessen. Bei einem Wert
Re = 2,807 106
steilte sich der voilturbulente Zustand em.
Diese Messungen wurden durch Versuehe mit einer
Hitzdrahtkeilsonde ergänzt.
Nach den erhaltenen Ergebnissen dürfto der Turbu-lenzgrad bei üblichen Routineversuchen mit
Schiffs-modellen im Schleppkanal nicht grol3er als 0,08 bis 0,1% sein. Das bedeutet, daB der Turbulenzgrad für das Um-schlagsproblem in der schiffbaulichen Modellversuchs-technik volikommen bedeutungslos ist. Es ist demnach
zwecklos, zu versuchen, durch mehrmaliges Hin- und Herfahren des Modells die Tankturbulenz zu erhohen
und den lJmschlag zu beeinflussen.
Am Rotationskorper lassen sich hinsichtlich der Form und der Geschwindigkeitsverteilung annähernd
schiffs-ähnliche Verhältnisse erreichen. Das Druckgefalle ist
mit Werten von m zwischen 0,075 und 0,047 nicht sehr stark.
Die kritischen Reynoldszahlen liegen in allen Fallen
für gleiche Rucklagekennzahlen speziell im vorderen
Bereich uber denen der glatten Platte (5 bis 30%)
(Bud 7 und 8).
Offensichtlich üben auch bereits geringere Druck-gradienten zwar weniger omen Einflul3 auf den
Urn-schiag als auf die vollstandige Ausbildung des turhulen-ten Strornu.ngszustandes am Korper aus. Die Messungen zeigton, daB die turbitiente Stromung hinter den Stör-korpern nach einer gewissen Lauflange wieder
stabili-1 Dirt 1,O5mm 2 Draht k=i,55mm 3 Sf11te k=7,OSmm d=3min A=6mm 4 Stifte h 05 mm d=3mm A=5 mm 5 Inui-Err.ki3O5mm A=6mTn 5 Gem.Err.k1mm 7 Scheiben k 05 mm A = 5 mm d=5 mm Mode/I Dofpelmodell 01 2,0 2,4
JJIId .9. Grenzschiehtiimschlag hinter Tar-balenzerregerii an
Victory-\Iodel-len
I
Schiffauforschung S17271515i
:7
Storkörpern weniger der Durchmesser, als Form und Hohe der Rauhigkeit den Umschlag laminar-turbulent
beeinfiussen.
Das Auftreten der periodischen Schwingungen hinter
Rauhigkeiten legt die Annahme nahe, daB auch beim
erzwungenen Umsehiag der Tolirnien -Schli chtingsche
Storungswellen-Mechanismus maBgeblich ist. Da die Storungen in der Grenzschicht sehr kriiftig sind, ist eine groI3ere Lauflange zur Anfachung der instahilen
Frequenzen vermutlich ni eht erforderlich.
Kraemer [4] fand bei seiner Abschtzung em negatives Ergehnis. Er erhielt als Resonanzbedingung
k
4000. V
Hinter 1 mm hohen Stiften wurden Wirbelfrequcnzen von 92,5 Hz gemessen. Unter Benutzung dieses Wertes laBt sich als Resonanzbedingung
k 1070
errechnen. Dieser Wert ist für die untersuchte
Erreger-anordnung etwa urn des Doppelte zu hoch Man muI3
jedoch hierbei in Betracht ziehen, dal3 die Schwingungen
u. U. eine Funktion der Rauhigkeitshohe sind und
hier nicht in der Hohe k, sondern auf otwa k/lO gemessen wurden. Es ist also sehr wahrseheinlich, daI3 auch hinter
Rauhigkoiten die Entwicklung zum 0
renzschichtum-schlag nach der Tollmien-Schlichtingsehon Theorie ab-läuft.
Zur Ermittlung der Gröl3e des TLLrbulenz.grades im
siert wurcie. Dieser Vorgang trat besonders stark bei
den beiden ersten Rueklagen in Ersehoinung.
Die Mel3ergehnisse an den Victory-Modellen lassen sich
mit den larninaren Grenzschichtparametern der
äqui-valenten Wasserlinie, die hier die KenngroI3en des
ge-samten Modells reprasentiert, recht gut ordnen. Die
kritischen Reynoldszahlen liegen betrãchtlich uber
denen der Platte, obwohl das Druckgefälle sehr klein ist
und erst bei der letzten Rucklage ansteigt.
Wãhrend der Messungen zeigte sich, dal3 über einen gewissen Geschwindigkei tsbereich hin em laminares Gebiet am Kiel im Bereich von etwa Spt. 8,75 bis 9,25 bestehen blieb. Erst bei hoheren Reynoldszahlen erfolgte auch hier der [Jmschlag. Der Kiel des Modells ist vom
Vorsteven aus rechteckig ausgebildet und geht erst
etwa bei Spt. 8,5 in die fiache Bodenkontur über. Der Stromlinienverlauf an der Modelloberfiäche wurde
mit einem Farbindikator ermittelt und zeigt eine Urn-stromung der Kanten des Kids (Bud 9). Es ist
wahr-scheinlich, dal3 sich im genannten Bereich in unmittel-barer Wandnäho auf Kielmitte em totwasserartiges Ge-biet ausbildet. das erst bei hoheren Geschwindigkeiten
von der Stromung. dann aber auch turbulent
beauf-schlagt wird. Die ziemlich gleiche Tendenz der
Mittel-wertkurven der Kennzahlwerte dürfte ebenfalls durch diese Erscheinung bedingt sein. Das bei den Platten-messungen gefundene Ergebnis, wonach bei
zylindri-scheri Einzelrauhigkeiten der Durchmesser keinen
gro-Ben EinfluB aul die Kennzahl ausübt, wird bestätigt.
Die MeBwerte für 3- und 6-mm-Scheibchen unterschei-den sich nicht wesentlich.
Ferner ergeben sich fttr das tiefgetauchte und das an der Wasseroberflche geschleppte Modell gleiche Kenn-zablen. Die MeBpunkte sind statistisch urn die
Mittel-werte verteilt. Das ist erkldrlich, denn die maximalen
kritischen G eschwindigkeiten ontspreehen Froudeschen
Zahien im Bereich von 0,143 his 0,156. Die
Wellen-ausbildung ist hierbei noch sehr gering. Die Geschwin-digkeitsverringerung an der Wellenoberfiache wurde am
Ort der ersten Rucklage zu etwa 4% abgeschatzt. Der
WelleneinfluB ddrfte demnach bei üblichen Rucklagen nur eine untergeordnete Rolle spielen. Liegen die
Erre-ger direkt im Wellenberg, so durfte sich em gewisser Einflul3 auf VkrjL bemerkbar machen. Einige
aul3er-programmàl3ige Versuche mit einer Anordnung von
itiften in 12 mm Abstand parallel zur Bugkontur deuten darauf hin.
Urn die Auswirkungen des gegenseitigen Abstandes bei dreiclimensionalen Rauhigkeiten zu erfassen, wurden
die iHlitzdrahtmessungon durch einige Versuche mit
einom Farbindikator ergänzt (Bud 10).
IW4 JO. Grenzschiclitunischjag hinter SMften am Victory-Modell
Man erkennt, daB bei groBeren Abstanden der Stor-körper voneinander em doch noch recht beträchtliches
Laminargebiet existiert. Bei kleineren Modellen soilte
diese Distanz nicht mehr als das zwèi- bis dreifache des Storkorperdurchmessers betragen.
8.1. Widcr8tandsnaes8ungen
Neben der Kenntnis der Wirksamkeit versehiedener
Turbulenzerreger interessiert natürlich auch die Gröf3e und Auswirkung ibres Eigenwiderstandes.
Der heste Storkorper so]1 bei moglichst kleinem Eigen-widerstand bereits bei einer der Modellgrol3e entspre-chend geringen Anstrorngeschwindigkeit voll wirksam sein.
Diese Forderungen diirften sich zugleich, bedingt
dnrch die physikalische Wirkung der Wirbelerzeugung und des damit verbundenen relativ groBen
Eigenwider-standes, nur in engen Grenzon annahern lassen. Man wird also den Naehteil des höheren Eigenwiderstandes
zugunsten kleiner Umschlaggeschwindigkeiten in Kauf nehmen müssen.
Die Platte war in ihren L/T-Verhältnissen so ausge-legt, daB der Eigenwiderstand der Turbulenzerreger
doch einen betrachtlichen Teil des Gesamtwiderstandes hetrug. Unter Benutzung der vonTagori [8]und Hughe8
veröffentlichten Eigenwiderstandsbeiwerte konnte
eine Korrektur des Widerstandes des 1,55 mm dicken
Drahtes vorgenommen werden.
Damit war die Moglichkeit gegeben, eine turbulente
Reibungslinie fur den in Frago kommenden Bereich
Reynoldssèher Zahlen zu finden. Der Einflul3 des
lami-naren Anlaufgebietes wurde rechnerisch erfaBt, der
Druckwiderstand 1st vernachlassigbar klein. Die
erhal-tene Kiirve stimmt ausgezeichnet mit der vonHughes
vorgeschlagenen Basislinie
0,066 CF
(Ig Re
-üherein (Bud 11).
Somit war die Ermittlung der Eigenwiderstandsbei-werte aller Raahigkeiten bei turbulenter Strornung mit-telbar mit hinreichender Genauigkeit als Differenz von Gesamtwiderstandsbeiwert, Widerstandsbeiwert des la-minaren Anlaufgebietes und des Widerstandsbeiwertes
des restliohen turbulent beaufschlagten Plattento us
moglich.
Die MeBergebnisse, bezogen auf den quadratischen Mittelwert der Anstromgeschwindigkeit in der Grenz-schicht, mid die projizierte Flche des Erregers sinci in
Bud 12 dargesteilt.
Am Kurvenverlauf läI3t sich sehr deutlich die unzu-reichende Wirksamkeit versehiedener Erreger erkennen.
Man sieht, daB bis zu kleinen Geschwindigkeiten hin neben dem 1,55 mm dicken Draht und den häheren Stiften auch der gemischt zwei- und dreidimensionale
Erreger mit 1 mm Höhe you wirksam ist.
Die Ergebnisse der Messungen an diesen drei Rauhig-keiten ermoglichen auch die naherungsweise Korrektur dieser Erregereigenwiderstande an anderen Modellen.
In vielen Versuchsanstalten wird bei den ublichen
Routineversuchen auf eine Korrektur von Laminarein-fluB und Widerstand der Storkörper verzichtet unter der Annahme, daB sich diese beiden Faktoren in ilìren Aus-wirkungen aufheben. Die Zuldssigkeit dieser Annahme wurde unter Verwendung der vorliegenden MeBergeb-nisse uberprUft. Der WelleneinfluB 1st allerdings nicht
berücksichtigt. Die Ergebnisso sind
für Platte
urul Rotationskorper in Bud 13 gezeigt.Die Auswirkungen des laminaren Anlaufgebietes sinci
in jedem Fall geringer und kompensieron nicht den
Erregereigenwiderstand. Für die Platte, die in ibrer
CE CE 2. 3.0
:
L 5,8 53 '5 V 2461 C5-f 8 12 -2 DrâhtA=05mm 2Dhk..1,S5mm fte 1r-05rnm d-Smm .4.9mm Rofallons- 4 St/lie A -205mm, d-Smm horper 4.6mm.5 Mod. Irwi- Err. k. 105 mm d=3mmA6n'iiñ 5Gern.Err.A=0m - -. 6.0 6.1 LgRei 4 aio V 16 20 24
netzten Oberflãche etwa einern 2,0 m Schiffsmodell ent-spricht, mul3 beim Umsehiag direkt in geringem Abstand hinter der Rauhigkeit eine Drahtkorrektur bereits imter Berucksichtigung des larninare.n Anlaufs in Form eines Abzuges von 5 bis 8% je nach Erregerart erfolgen.
Bei 2,0-bis 2,5-rn-Schiffsmodellen mittlerer Volligkeit dUrfte dieser Wert imter den gleichen Bedingungen etwas geringer sein. aher 3,0 bis 6% nicht unterschreiten.
Diese EinflUsse soilten bei der Extrapolation der von
0,08 kleineren Modellen erhaltenen Mel3ergebnisse in jedem
Falle berhcksichtigt werden. Selbstverständlich ändern
0,537 sich die Verhtiltnisse hei unwirksamen oder our teilweise
wirksarnen Erreger voilkommen.
Für den Rotationskorper liegen die Verhii.ltnisse gunstiger, da bei einer Rauhigkeitsrücklage von 5% L das Durchmesserverhiiltnis mit 0,32 klein und somit nur eiric Rediiktion des zahigkeitsbedington
Wider-standsbeiwertes urn etwa 1 his 1;8% erforderlich ist. Bei 3-m-Modellën wird auf Grund des hOheren Urn-fängsverhältnisses in diesem besonderen Fall von p.47 und Wellenauswirkung der Erregerei genwiclerstand mit einem Abzugvon etwa 0,5 bis 30/0 beruôksichtigt werden müssen.
Die bekañnte Tatsache, daB dreidimensionale und
420 auch der gemischte Erreger im Gegensatz zu
zweidirnen-sionalen Rauhigkeiten nicht kontinuierlich, sondern plotzlich wirksam werden, zeigt sich auch im Verlauf der Gesamtwiderstandsbeiwerte, die im
Gbergangs-4047 bereich einen sehr steilen Anstieg aufweisen.
Fur den Rotationskorper ist eirue Zusammenfassung ncr für LarniinareinfluI3. Eigenwiderstand und Tankein
39
6,3
Bud II. Widerstandshejwerte der Plate
(korrigiert fur lftminaren Anlalif
end nrnIiteigenvii1ertand)
il/id 12. Eigenwider4t.iinde versehiodeiier Li rbnlenzerreger
B/id /3. Auewirkting von Laniinareiiifltal3
und Erregerwiderstaini auf den
Widerstand,Iieiwert Cp-f(1gPe) . -F
0,066.
(lgRe_zo3)? o Drzh/korrehhur Drahtkorreh/ar nt// Tagori [51 nch Hughes -4IIa, [9] .5 1 Dra/it 7,05mm 0 2 Draht 1,55mm 0 '5 Stifte k= 05 mm;d3mm;A =6mm Suite k=2,05mm,d3mm1A$mm 5 Modif.Inui-Erreger k=1,OSmm;A'.Emm 6' &em.-Erreger A=7,00m.m 4 0 2 10Re1 Schiffbauforschung 5 1/2/1940 48 46 48E45 61 5.2 lgRez
flu!) korrigierten Ergebnisse der Widerstaridsmessungen mit vier verschiedenen Erregeranordnungen in Bud 14 gegeben
Die sehr gute tbereinstirnmung der C-Kurven,
be-sonders bei den Erregertypen 4 und (I, beweist, dal3 die Eigenwiderstandsbeiwerte dieser Storkorper doch recht
genan betimmt werden konnten.
Gegenuber der Platte erf&hrt der Rotationskörper eine formbedingte Erhohung des Zhigkeitswiderstan -des. Der Formfaktoi', hezogen auf die bereits zitierte
Hughes-Basis-Linie..betragt etwa 20%.
Neben der experimenteilen Ermittlung des Wider.
standes wurde für diesen Korper eine Widerstandsrech-nung nach dem von Scholz [11] angegebenen Verfahren
vorgenommen. Die Vbereinstimmurig mit den Me13.
werten ist sehr giit.
Tim em quantitatives Ergebnis iiber die Auswirkun-gen eines Turbulenzerregers an einem Schiffsmodell auf den Reibungswiderstand zu erhalten, wurde das Victory.
Doppelmodell einmal ,,nackt" und mehrmals mit
ver-schiedenen Rauhigkeitsanordnungen untersucht: Nach der näherungsweisen Korrektur der Eigenwiderstandes der Erreger ergibt sich eine ziemlich konstante, im be-trachteten Bereich von der Reynoldszahl unabhdngige Abweichung von etwa 11,5% vom turbulenten Wider standsbeiwert. Im untersuchten Geschwindigkeitsinter-vail verandert sich offensicht]ich das lanjinare
Anlauf-gebiet kaum.
Auch bei dem an der Oberfikehe geschlepptcn Modell ist diese Differenz im wellenunbeeinfiuj3t,en Bcreich von etwa der gleichen Gröl3e. Dann allerdings wirken sich mit zunehmender Gesehwindigkeit Storungen von dor Oberfldche und vorn scharfkantigen Kiel her sowic die Anderung der benetzten Oberfläche des Modells infolge
Wellenbildung aus. Der Fehier verringert sich mit zu-nehrnender Froudeseher Zahl (F = 0,21; = 3%).
Ailgemein idlit sich zu den Widerstandsversuchen lest-steflen, dat) mm Rahmen des ubcrstrichenen Reynolds-zahibereiches der Verlauf der zahtgkeitshedingten Vt i
derstandsbeiwerte von Rotationskorper und Doppel.
modell sehr gut duich einen mit der flughessehen
Basis-linie gebildeten Extrapolator dargestelit werdon kann. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchtingen lassen
sich einigc ailgemeingultige SchluBfolgerungen für die Versuchstechnik mit kleineren Modellen speziell am ITS ziehen:
1. Mit der Benutzung von Keilmel3gebern ist auch bei Routinevej-suchen mit der Hitzdrahtrnej3techni k eine relativ einfache und schnelle Bestimmung des Urn-schiages laminar.turbulent moglich. Bei der Tinter-suchung von Sonderformen ath ITS wird diese Metho. de genorell angewendet. -Cvf(lgRe1) I Drabt k= 7,05mm 2 Drc.ht k 7,55 mm 4 St/ftc Ic 2,05mm
-6 em.-Err.Ic. lOomm /1.95_0,055 -44 (lgRez-z.os/--4.Z 3.8 142 - 40J8
-42 - 40 Cv nach Scholz JribId 14. Widerstandibeiwerte des
]lota-tionskCrper.s
Der hi4uflg verwendete Stolperdraht von 1 mm Durch-messer auf 5% L von vorn érwies sich in seiner
Wir-kung als unzureichend. und ist daher für übliche
2- bis 3-m-Modelle als .Turbulenzerreger ungeeignet.
Es empflehlt sich, zu einer weitgehenden
Elirninie-rung von MaBstabeinflussen bereits bei Geschwindig-keiben zwischen 0,4 und 0,5 rn/s bei den genannten Modellgrol3en den voilturbulenten Strornungszustand zu erreichen. Dieser Forderung lfiI3t sich bei
Verwen-dung von 1,5 his 1,8 mm dicken Drfihten,
zylindri-schen Stiften von etwa 2 mm HOhe oder des gemischt. zwei'./dreidimensionalen Erregers und entsprechender
Korrektur des Erregereigenwiderstandes
nachkom-men.
Bei Berücksichtigung der vorgenannten Voraussüt-zungen ist die Ermittlung des Formfaktors des zä.hig-keitsbedingten Widerstandes auch mit 3-m-Modellen im wellenunbeeinflul3ten Bereich. und damit eine phy-sikalisch gerechtfertigte dreidimensionale
Extrapola-tion auf der Basis der Hughes'schen Plattenlinie
mögliëh.
Auf Grund der Resultate der Untersuchungen wird es moglich sein, die Einsatzmdglichkeiten kleinerer Mo-delle zu erweitern.
Literatur
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[101 Hughes: Friction and form resistance in turbulent flow and a iwoposed
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Inst. of Nay. Arch. 96 (1054) S. 314.
[111 Scholz: lYber sine ratlonelle Berechnung dee Striimungswiderstandes schlanker Körper mit bellebig rauher Oberifutche. ,fahrbuch der Sciuff-bautechnischen Gesellschaft45 (1951) S. 244.
[12] (ba/zer: Untersuchungen (iber den Einfiuili von Tiirbnlenzerregern an Schiffsniodelleim. Dissertationssrlmeit an der Teehñisclmen Fakultiit dir
- Cniversitiit llostock 1964.
-Diskussionsbeitrag
von Dipl.-Ing. zn den Reforaton 'on Prof. BraMn und Dr.-Ing. Gatzer (schriftlich
erweitert)
Erganzend zu den von Prof. Braun dargelegten Ver-wendungsmoglichkoiten kleiner Schleppversuchsanlagen
soilte ihre Bedeutung für die Analyse des vom Modell
erzeugten Wellensystems beachtet werden. Hierauf hat auf3er anderën vr allem Guilloton mehrfach
hingewie-sen. Dies bezieht sich weniger auf die an der
Modeil-seite auftretende Wellenkontur, die gegenuber langeren Modellen unter Voraussetzung gleicher Anordnung und Art der Fotoeinrichtung mit einem für die Auswertung
gunstigeren Fotomallstab u erfassen ist, als vielrnehr auf das Weflensystem in der TJmgebung des Modells. Besonders in Japan wurde die ursprünglich von Wein-blum, Lacmann und Block betriebene stereofotogram' metrische Auswertung von Meereswellen und durch
Lacmann weiterentwickelte Auswertung von Wellen urn des Schiffsmodell zu erfolgversprechenden
halbempiri-schen Methoden der
Wellenwiderstandsbestimmungausgebaut. Die von Inui ZU diesem Zweck verwendeten
Modelle waren 2.5 m lang. Eine wesentlich grol3ere
Lange ist aus fbtotechnischen Grunden bei den üblichen Hallenhohen nicht moglièh.
Die SchlaBfolgerung 1 im Voftrag von Dr. Gatzer
betreffs keiliormiger Grenzschichtsonden für
Routine-rnessungen lällt sich durch Ergebnisse bei Versuchen
mit Sonderformen, die teilweise im Rahmen der von mir betreuten Belegarbeiten Eichelmann und &hulz am ITS
durchgefuhrt wurden, vollauf bestätigen. Tm
weseit-lichen ergaben sich für den erzwungenen Umsehiag des
Grenzschichtzustandes trotz anderer Modeilform etwa gloiche wie die von Dr. Gatzer am .,Victory"-Modell mit
in die Aullenhaut eingelassenen zyhndrischen Sonden gemessenen Werte der kritischen Reynoldszahl. Die
Mel3einrichtung arbeitete uberwiegend storungsfrei. Gewisse subjektive Schwierigkeiten traten anfangs beim Deuten der auf dem Schirm des Kathodenstrahloszillo-grafen sichtbaren Signale für die Ubergdnge zwischen den einzelnen Grenzschichtzuständen auf. Bejm bewullt verursachten Abbeben der Sonde aus der Grenzschicht blieben die durbh Anderungen der Wdrmeabstrahlung hervorgerufenen charakteristischen Signale aus, so daB mit einer geeigneten Verstellvorriehtung an der Sonde
die örtliche Grenzschichtdicke bestimmbar ware. Für
die von Gatzer entwiekelten keilformigen Geberkorper würde von mir eine dehnbare Halterung vorgeschlagen,
die an jeder gewiinschten Rack]age (und damit an
jodem beliebigen beietzten Umfang) angebracht werderi
kann (Bud 1). Bei don Vorsuchen auf LWL-Tiefgang
wurden 4 Sonden verwendet. Bei Bedarf laL3t siöh diese
ZahI erhohen. Die Untersuchungen an Modellen ohne
Erreger erfolgten bei 3 RUcklagen, urn Richtwerte für den natürlichen [Jmschlag zu erhalten.
Nicht so treffsicher wie die Art des Grenzsehichtzu-standes lal3t sich die GräJle des ErregerwiderGrenzsehichtzu-standes
be-stimmen, da die ortliche Geschwindigkeit am Erreger
beim Routineversuch nur geschatzt werden kann. Auch bei Grundlagenversuchen ist sie gegenwdrtig nur bedingt bestimmbar. in vielen Versuchsanstalten wird ü. a. aus diesem Grand auf die Korrektar des Erregerwiderstan-des verzichtet, obwohl ver.schiedene Autoren
Korrektur-methoden - hauptsachlich für Drähte - angegeben
haben. Nach Abzug des Erregerwiderstandes wird dieWiderstandskurve für das Modell ohne Erreger meist unterschritten. Dies steilte auch Dr. Bo8sow hei Aus-Schiffbaulorschung 5 11/2/19613
131W 3. Keilformige Geher in beliebig versetzbarer Ilalterung (Foto: E1,el)
46
(-3
F
ibId 3. Widerstandslieiwerte für qttadratische Erreger oath Tagori (chenda, Bild 13 nod 14) 41
I
Modeulyp - Lpp[m] C5 Ore/it I [°C - Tanhe)' 2,50 477 d-W 9.4I
Iahigastschilf 2.50 0,54 d .7 95 --\
k'imm
b b-2,5mm a-cz-l0mra a 7Reihe auf Spt. 2 Re/hen wii Opt
-19
-
Tanker 18,9°C 1WL 19 -- PahrgastschiffTZWL 0 -0,1 4ibId 9. Widerstandsbeiwerte für Turbulenzdraht nach Tagori (Journal of
Zosen Kiokai 111 (1962) S. 6, mId 12)
0,1 42 0,3 J 44 0.70 (-3 408
t.
406 404 40a 0 Fabrik trawler
j'
Lpp3.41mC3-a63 .41,1111 1 -1z2 Lpp -3,32rn C8 -0,58 l -11,7CpI\ a;;;
stpp-20mC8-080 ri7i1 Wmdstbug ohne We.Js/bug 1..13,2C 1-72YCDiM 5, Differemizwiderstandsbeiwerte nach Versuchen aufTLwl m1lI
zvlin-driechen Einzelerregern (k= 2 mm, d =' mm. a = 8 main. I Reihe
aimfSp. 19) und ohmie Eireger
wertungen der Versuche mit kleinen Modellen an der
provisorischen Versuchsanlage des ITS fest (s. Schiffbau-technik 10 (1960) H. 1, S. 6 bis L5). Tagori dagegen
or-0
1?15 0,20. 0,25 - 030'
HO5
0-judd 6. Differe'nzwiderstandsbeiwerte nach Versuchen au 0,6
(Erreger wie nach Bud 5)
hielt für 2 Erregertypen stets Zuschldge für den
Erreer-widerstand, wie aus den Bildern 2 und 3 hervorgëht.
Bemerkenswert sind die bei den quadratisehen
Einzel-erregern aufgetretenen Oszillationen der L\CT-Kuren. Eine ähnliche Tendenz wurde am ITS z. B. nach Mes'
sungen mit dem Modell einos Fabriktrawlers auf TLWL und mit demjenigen eines Fahrgastschiffes auf 0,6 TLWL für '.ylindrische Einzelerreger ermittelt. Beim letzteren Modell waren diese Oszillationen auf TLWL nicht vorban
den, auch nicht boi woiteren Versuchon mit völlien
Modellen. Der Verlauf einiger charakteristischer Kurven
(ohne Korrektur für restlichen LarninareinuB) zu den
genannten Versuchen ist den Bildern 4, 5 und 6 zu
ent-nehmen. Für mehrere Versuhe mit dëm Tanker/Erz-frachtermodell konnte etwa ab F> 0,24 kein
Erreger-widerstand gemessen werden, auch nicht bei Verwenden
eines Turbulenzdrahtes. DehaIb ware schon em Kor-rektu±abzug yen 0.5 ... 1% des Modeflwiderstandes
ver-fehit. BeI der Extrapoiation auf die Grol3ausfuhrung wurde sich dieser Prozentsatz infolge abnehmenden
Reiburigsanteils am Gesarntwiderstand erhoht auswir-ken.
Wegen der insgesamt vorhandenen Widerspriiche ist die iFrage nach der Grö3e des Erregerwiderstandes 'or-erst iloch als offen anzusehen.
ohne -Wiilslburg I 12.0 C Ftz/uryastschiff Tanluer Lpp - Z5Uin Lpp /17/1 Wulslbeg t- 13.2C -- 3,32 in 1 11,8°C 4 --.,
-
Frachier lpp -2.44 )7Z T1v C8 -06'?1-0C
FoJirgastsch'uLpp-332m 1- ii7C ' 5 T Tanker I 42 Schtimaulorschi.ing 5 1/f1968 015 0.20 025 030 1TBud 4. Differenzwiderstandsbeiwerte nach Versuchen mit unmi ohnc -. Turhujenzdraht (d = 1,6 mm, Spt. 19)
