Erfahrungen mit einem neuen umlaufkanal

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Erfahrungen mit einem neuen Umlaufkanal

Dr. Ing. S. Schuster

VersuchsanstaJt für Wasserbau und Schiffbau, Berlin

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Paper to be presented at the Symposium on the

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(3)

ERFAHRUNGEN MIT EINEM NEUEN UMLAUFKANAL

Prof.Dr.Ing. S. Schuster

1.- In der Versuchsanstalt für Viasserbau und. Schiffbau in Berlin wurde im Jahre 1957 ein Wasser-lJmlaufkanal in Betrieb _genommen. Er ist durch einen Wasserumlauf in der senkrechten Ebene und eìne offene, waagerechte Messtrecke mit rechteckigem Querschnitt

gekennzeichnet /Bild 1/. Die ₇ m lange, 1,8 ni breite und maximal 1,2 m tiefe Messtrecke besitzt einen dichten, kontinuierlich hoch-fahrbaren und schwenkbaren, ebenen Boden. Vor der Messtrecke be-findet sich eine Einlaufdüse, die oben in ein waagerechtes Streich-blech ausläuft. An Ende der Messtrecke leitet eine kontinuierlich verstellbare Schneide die oberste luftdurchsetzte Wasserschicht über einen Siebkasten. Alle Krummer besitzen Gitter von Umlenk-schaufeln. Vor der Einlaufdüse am höchsten Punkt der Rohrleitung saugt eine nach dem Unterdruck gesteuerte Pumpenanlage die mìt-gerissene Luft ab. Uber den Siebkästen hinter der Messtrecke tritt die Luft durch die freie Oberfläche des verzögerten Wassers nach oben aus.

Im kleinsten Querschnitt der Rohrleitung _{arbeitet eine Pro-.} pellerpumpe mit ftinf fest eingestellten Propellerflügeln. Hinter

der Pumpe wird die Strömung durch ein langes _{Leitblec:bkreuz} gerichtet. Die Wassergeschwindigkeit wird über die Propeller-drehzahl geändert, die Steuerung des Motors _{geschieht durch} Dreh-knopfbetätigung axa Messpult über eine Stromrichteranlage. Die

Motordrehzh1 wird auf die Propellerdrehzahl _{über ein}

Zahnrad-getriebe 1:6,2 untersetzt. Maximal n.imt der Motor 275 kW auf, bei vollem Querschnitt ist damit eine Wassergeschwindigkeit von 6 rn/s zu erreichen. Bei Modeliversuchen ist die Geschwindigkeit nach oben durch die Möglichkeit einer hinreichenden Luftabscheidung begrenzt. Bisher wurde meist im Bereich von 2 bis k rn/s gefahren.

Zum Ausgleich der Verminderung des Strömungsquerschnittes infolge der Grenzschichtverdickung wird der Boden nach hinten so

gesenkt, dass die Wasseroberfläche waagerecht bleibt. Zur Durch-führung von Flachwasserversuchen wird er entsprechend hoch

(4)

ge-Gebäude Fuflboen Molor Gulriebe -1'

--4--'--Ebene 6990 16300 '77777/

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Bild 1. - VWS-Umlaufkanal

L uftabsaugung

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Spannbänder

Gehäuse

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(6)

fahren. Diese Wassertiefenänderung kann in Stufen oder zügig während des Betriebes geschehen, so dass auch die instationären Vorgänge lin kritischen Geschwindigkeitsbereich erfassbar werden.

Der Kanal wird. durch eine besondere Leitung aus dem Stadt-wassernetz gefüllt. Ein neben dem Kanal eingerichtetes Becken mit einer Unterwasserpumpe ermöglicht ein schnelles Absenken und Auffüllen der Messstrecke zum Modellumbau während einer

Versuchs-reihe.

Der ganze Kanal ist unabhängig vom Umfassungsgebäude ge-gründet. Auch der Boden des Messraumes und die Messbiihne stehen mit dem Kanal nicht in Verbindung, wodurch die an sich schon ge-ringen Rüttelschwingungen der Kanalwände von den Instrumenten ferngehalten werden.

Die Messeinrichtungen sind örtlich jeweils in die Mess-wertaufnehmer und die Anzeige- bzw. Registriergeräte unterteilt. Die laufende Kontrolle der Wassergeschwindigkeit in der

Mes-strecke geschieht wahlweise mittels einer festen, in die Einlauf-düse eingebauten Differenzdruck-Messeinrichtung oder eines in der Messtrecke verschiebbaren Prandtl-Staurohres und. Standrohr-manometer mit Wasser- und Quecksilberfüllung. Bei kleinen und schneller wechselnden Geschwindìgkeiten wird ein Ott'sches Flügel-rad verwendet, dessen Umdrehungen mit einem elektronischen Dreh-zähler laufend ausgezählt werden.

Bild

3.-

Messpult

(7)

-ERFAHRUNGEN MIT EINEM NEUEN tJMLAUFKANAL

Alle _{Kraftinessimgen werden elektronisch vorgenommen. Dazu steht}

eine VWS-Sechskomponentenwaage mit induktivem Messprinzip zur Verfügung /Bild 2/, die bei praktisch starrer Modelibefestigung eine trägheitsfreie Messung auch zeitlich veränderlicher Kraft-verläufe und zwar gleichzeitig in Bezug auf alle _sechs Komponen-ten zulässt. Durch Verwendung einzelner Kraftaufnebmer _können auch bis zu sechs einzelne Kräfte an verschiedenen Orten, z.B. Schübe und Drehmomente eines Dreiscbraubenschiffes, _gleichzeitig gemessen werden. Die eigentliche Messung der Kräfte wird über Brücken und. Kompensatoren in einem besonderen Messpult /Bild

_3/

vorgenommen.

2.- Voraussetzung für die korrekte Durchlührung von Versuchen ist eine mögliciast gleichmässige Geschwindigkeitsverteilung in der Messstrecke, bzw. da in strömendem Wasser schon wegen der Wand.reibung mit Abweichungen gerechnet werden muss, eine genaue Kenntnis der bei einer bestimmten mittleren Geschwindigkeit an jedem Ort tatsächlich vorhandenen Grösse. _{Die zweite Bedingung} ist, dass diese Verteilung sich möglichst wenig zeitlich, d. h. durch ind.erung des Luftgehaltes oder durch Rückwirkung eines ein-gesetzten Modells ändert. Nach langwierigen Erprobungen mit Varia-tionen der Bodenstellung und des Zu- und Abflusses wurde für die praktisch wichtigsten Betriebszustände das _axiale Geschwindigkeits-feld räumlich mit einem Staurohr aufgemessen.

Allgemein Ist auszusagen, dass die Geschwindigkeitsver-teilung zufriedenstellend gleichmässig _{ist [li. An den S,Yänden,}

insbesondere an der Glasseite, wird. die Strömung mit der Tiefe zunehmend bis um etwa 10 % abgebremst. _{Die Grenzschicht der freien} Oberfläche ist in der Mitte der Messstrecke etwa 4 cm dick. In ihr wird die Geschwindigkeit mehr oder weniger abgebaut,

beispiels-weise bei 2,,m/s um 3 % und. bei 4 rn/s um ₇ _{% an der Oberfläche. Die} zeitlichen Änderungen über 3 Minuten betragen, _{abgesehen von den} Randzonen, im allgemeinen weniger als 2 _%.

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o. q2 0,15 Q Q o o

o Q 00 o o o o

-6--00

o o o o cP o u o o C) Messungen im Umlaiftankder VWS; w1S9°C; 3,4758 °0

Messungen im Windkanal (Wieselsberger, 7926) 0

o Q Q o o

00

o o 41 1,5 2ß R, 0 4Q

Bild L..

- Ergebnisse von

Kugelmessungen

Q Q

(9)

Der Turbulenzgrad des Kanals wurde durch Widerstand.sversuch an einer Kugel von 165 mm Durchmesser bestimmt /Bild 4/. Die für den Widerstandsbeiwert c = 0,3 definierte kritische Reynoldszahl ist Rekr = 2,15 . 10. Ins Verhältnis gesetzt zu der kritischen Reynoldszahl des freien Fluges [2] Rekr = 3,85 . 10 ergibt sich der Turbulenzfaktor TP = 1,8. Im Umlaufkanal ist also mit einer

effektiven Reynoldszahl

= 1,8 Re

zu rechnen. Dadurch ist es möglich, hier mit kleineren Propellern als in der Schiepprinne überkritisch zu fahren.

Im ersten Betriebsjahr wurde eine ganze Reihe verschiedenar-tiger Versuche durchgeführt. Zunächst brachte die Möglichkeit der

zügigen knderung der Wassertiefe interessante Ergebnisse bei der Erforschung des Flachwasserproblems. An einem 2 m langen Gleit-bootmodell wurde der Widerstand in Abhängigkeit von der Froud.eschen Tiefenzahl gemessen. Dabei wurde besonders Wert gelegt auf die

Erfassung des instationären Bereiches um die Tiefenzahl i herum. Ausserdem sollte festgestellt werden, welche Abhängigkeiten des Widerstandes und der Wellenbildung ausser von der Froudeschen Tiefenzahl auch von Wassertiefe und Anströmgeschwindigkeit selbst bestehen und wie weit diese Einflüsse zeitabhängig sind.

Bei den Versuchen wurde zunächst die Wassertiefe konstant gehalten und die Geschwindigkeit stufenweise geändert. Gemessen wurde immer erst, wenn sich ein gleichmässiger Zustand eingestellt hatte. Der kritische Bereich selbst konnte hierbei allerdings noch nicht untersucht werden, da sich innerhalb dieses Bereiches kein stabiler Zustand einstellen lässt. Auffällig war, dass sich für die Grenzen des kritischen Bereiches Unterschiede ergaben, je nach-dem, ob die Geschwindigkeit aufwärts oder abwärts geändert wurde. In Bild ₅ _{sind diese Ergebnisse ín dimensionsloser Form mit der}

Gleitzahl

E= 4-

über der Froudeschen Tiefenzahl

ho aufgetragen,

wobei W der Gesamtwiderstand und G das Verdrängungsgewicht des Bootes in Ruhe bedeuten.

(10)

0,20 0,15 0,10 0,05 0,05 hoZ10

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h. 435m 0,17m

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y stufenweise erMht

---y stufenweise verrn,'rt

Bild.

5. -

Gleitzahlverlauf eines Gleitbootinodells

über der Froudeschen Tiefenzahl bei Veränderung der Geschwindigkeit.

8

Bild. 6. - Dasselbe bei Änderung der Wassertiefe

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kontinuierlich verringert kontinuierlich vergròl'ert

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h. 1,70 'n Q5 6 07 08 09 70 11 72 7,3 1,4 1,5 1,6 1,7 2,0 2,1 Fh, 05 06 07 08 9 1,0 7 12 13 74 15 16. 1,7 1,8 7,9 2,0 2,1 Fh,

(11)

Wurde bei gleichgehaltener Wassertiefe die Geschwindig-keit zügig aufwärts und abwärts geändert, dann bildete der Kurven-verlauf eine Hysteresis - Schleife, die mit wachsender Anderungs-geschwindigkeit grösser wurde. Noch besser liess sich die Zeit-abhängigkeit auf die umgekehrte Weise bei konstant gehaltener Geschwindigkeit und kontinuierlicher Änderung der Wassertiefe durch zügige Verstellung des Bodens ermitteln. Bild 6. zeigt einen Kurvenverlauf im Bereich der Froudeschen Tiefenzahl von

0,5

bis 2 bei Änderung der Wassertiefe im Bereich von 1,1 bis

0,16 m. Der Eintritt in das kritische Gebiet erfolgt bei abnebmen-der Wassertiefe erst oberhalb von

ho = i und das Maximum ist

wesentlich niedriger als bei der stufenweisen Änderung. Beim zü-gigen Senken des Bodens erfolgt der Eintritt aus dem überkritischen in das kritische Gebiet erst erheblich später, und auch erheblich

unterhalb = i wird das kritische Gebiet wieder verlassen

_[3]

Dass ein Uinlaufkanal gut geeignet ist für die Durchführung von Propeller-Freifahrtversuchen, liegt auf der Hand. Als beson-ders vorteilhaft hat sich die Möglichkeit herausgestellt, gründ-lich die Strömung hinter dem Propeller und die Anströmung von Rudern aufmessen zu können.

Am meisten wurde der Urnlaufkanal bisher für Untersuchungen von Wassertragflugeln eingesetzt /Bild.

7/.

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Durch Dreikomponentenmessungen erhält

an wie in Windkanälen die

üblichen Polaren. Sechskomponentemaessungen zeigen zusätzlich den Einfluss von Kränge-

_und

Schiebewinkeln /z.B. Bild 8 [4]/.

Bild 8.- Einfluss des Schiebewinkels auf die

Kraft-und

Momentbeiwerte eines V-Tragflügels

Zur

Zeit ist die Untersuchung von Tragflügeln in instationärer Strömung im Gange. In die Messstrecke wurde dazu ein ebener über die ganze Breite reichender Flügel eingebaut, der sich durch einen Kurbeischleifenantrieb in vertikaler Richtung periodisch parallel zu sich selbst bewegen lässt /Bild

_9/.

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Bild

9.-

Schlagflügelanlage im Umlaufkanal

Der Kraftverlauf an einem dahinter fest angeordneten Messflügel wird mit der Sechskomponentenwaage gemessen.

7.-

Zusammenfassend ist festzustellen, dass der nach dem Vor-bild der Windkanäle entwickelte IJmlaufkanal gut für spezielle schiffbauliche Untersuchungen geeignet ist und als Ergänzung zu

den Schiepprinnen und Kavitationstanks fur Schiffbauversuchsan-stalten empfohlen werden kann.

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8.- Literatur

[i] H.Schwanecke: Uberpriifung des Strömungszustandes in

der Messtrecke des VWS-U1aufkana1s, VWS-Bericht

Nr. 115/58.

H. Schlichting: Grenzschic]attheorie, Verlag G. Braun

1958,

8. f441.

S. Schuster, A. Gross, H. Schwanecke, E.A.Walinski und Th. Friese: Beispiele für die Behandlung instatio-närer Probleme im Schiffsmodellversuch, Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft

_1958.

[4.] H. Schwanecke: eber Sechskomponentenmessungen an einem

V-Wassertragflügel, Z. Schiffstechnik