Zur methodik und technik von modellversuchen bei regulärem seegang in der versuchsanstalt des Krylow Instituts

Lab.

L;

ireChniSehe

Zur Methodik und Technik von Modellversuchen bei regularem

Seegulk

in der Versuchsanstalt des Krylow-Instituts*)

Von Kand. d. Techn. Wissenschaften E. F. S a ch n o. Leningrad

Zur Losung vieler praktischer Aufgabenstellungen, die

das Verhalten des Schiffes im Seegang betreffen, sind experimentelle Ergebnisse erforderlich. In sehr vielen

Fallen werden daher Modellversuche in regularen Wellen vorgenommen.

Zu solchen Aufgabenstellungen gehoren :

Ermittlung der Kenngralen der Stampfbewegungen

und der Geschwindigkeitsverringerung bei gegenlaufen-dem und mitlaufengegenlaufen-dem Seegang;

Einschatzung und Vergleich der Seefahigkeit

ver-schiedener Schiffe;

Untersuchung des Einflusses der Schiffsform auf das

Stampfen und die Wasseriibernahme durch das Deck;

Untersuchung verschiedener physikalischer Erschei-nungen, die an die Schiffsbewegungen im Seegang

ge-koppelt sind (EinfluB des Seeganges und der

Schiffs-schwingungen auf die Propulsion und ihre

Wechselwir-kung mit dem Schiffsrumpf; Bestimmung der auf das

Schiff wirkenden Krafte und Biegemomente

Das haufig unmittelbare Ziel von Seegangsversuchen in den iiblichen Versuchskanalen ist die Bestimmung der Stampfeigenschaften und der GTO& des Zusatzwider-standes des Modells in regelmaigen von vorn

anlaufen-den Wellen. Diese Ergebnisse weranlaufen-den dann auf das Verhalten der GroBausfiihrung bei realem Seegang extrapoliert. Der vorliegende Bericht gibt eine kurze

Beschreibung der Methodik und Technik solcher

Unter-suchungen in den Tanks des Krylow-Instituts.

Diese Kanale sind mit pneumatischen Wellenerregern ausgeriistet. Ein solcher Wellenerzeuger, der im Kanal

mit variablem Wasserspiegel aufgestellt ist, ist in den

Bildern 1 und 2 gezeigt.

Der halboffene, schwimmende Druckkorper ist an

einem Stiitzponton befestigt and folgt automatisch den Wasserspiegeliinderungen im Kanal.

.9 Der vorliegende A ufsa tz ist die Niedersehrift eines V ortrages, der nu

19a i 1965 a uf dens In terna tiona len Symposium Mod ern e t'ntersucluings-inethoden der Sehiffsteehnik" in Ito4oelc gehalten wur.le.

Bild 1. Schema eines pneuma tisehen Wellenerzengers wellenh ildender Druekkorper loeke) 2 Zentrifugallilf ter

3 Ltd tleitungen 4 Verte Hera n la ge 5 1)rosselschieber 6 :Pon ton

Der Wellenerreger (Bud 1) gestattet die Erzeugung flacher, regelmaBiger Wellen mit einer Lange bis zu 6,0 m bei einer Steilheit his zu 1/20. Man kann auch langere Wellen (bis 12 m). allerdings mit geringerer

Steilheit, erzeugen.

Das Wellenprofil wird mit einem beriihrungslosen wirkenden akustischen Registriergerat (Bild 3)

aufge-nommen. Der auf dem Schleppwagen iiber dem Wasser

befindliche MeBgeber strahlt Ultraschall (Frequenz 70 kHz Impulsfolgefrequenz 100 Hz) ab. Ein Emphinger

nimmt die von der Wasseroberflache reflektierten Si-(male auf.

Fiir übliche Versuche in den Kandlen des Institutes werden Modelle mit einer Lange von 3.0 his 4,0 m

verwendet, die aus diinnen Holzleisten hergestellt, von auBen mit einem Gewebe beklebt und dann gestrichen

werden.

Bild

Pneuma tischer Wellenerzruger ins Versu etiska no I

I.

"*.4"4*_

S chiff bap f ors chung 5 1/2/1966 83

23 NOV. 1973

3. Schema der bertihrungSlosen WeIlenreg,istrierung

Die experimentelle Einrichtung. die im Institut bei

Seegangsversuchen angewendet wird (BIM 4), gestattet die Messung des Mittelwertes des Wasserwiderstandes und eine kontinuierliche Registrierung der Stampf- und

Tauchbewegungen. Die Konstruktion der Anlage

er-laubt, das Modell mit konstanter Zugkraft zu schleppen,

was den realen Verhaltnissen bei der GroBausfiihrung

bei entgegenlaufender See mehr entspricht, als Fahrten

mit konstanter Geschwindigkeit. Im Zusammenhang

damit ist eine Moglichkeit zur Registrierung von Langs-verschiebungen des Modells in bezug auf den Schlepp-wagen vorgesehen.

Die Anlage gestattet die Messung der

Widerstands-kraft his 16 kp mit einem relativen Fehler von hOchstens

0.5%. vertikaler Verschiebungen bis ±200 mm mit

einem absoluten Fehler von hiichstens ±2,0 mm und von Winkelanderungen his zu ±12° mit einem Fehler

von hochstens ±10'.

Id I. Gera zu.r Durchfilhrung von Modellversuchen bei entgegenlaufen-den und mitlaufenentgegenlaufen-den Welien

Bei Fortbewegung in den Wellen ist das schwingende Modell selbst sin Wellenerzeuger. Damit kOnnen unter

den Bedingungen des Modellversuches im

Schlepp-kanal wesentliche Fehler auftreten. Erstens konnen die

vom Modell erzeugten Wellen bei Erreichen der Po-sition der Mageber des Wellenregistriergerates dessen

Angaben verfalschen.

Zur Abschatzung dieses Einflusses wurde em n besonderes

Experiment durchgefiihrt. Das Modell wurde bei Fahrt in ruhigem Wasser erzwungenen Schwingungen

untei-worfen and gleichzeitig wurden an mehreren Stellen

die entstehenden Wellen registriert. Dabei w-urden

sowohl die Geschwindigkeit des Modells als auch die

KenngroBen der erzwungenen Schwingungen bestimmt. Die Ergebnisse dieser Versuche ermoglichten hinsicht-lich der Lage des MeBgebers einige SchluBfolgerungen. Wird der Geber in Mittschiffsebene mindestens eine

Modellange vom vorderen Lot entfernt angeordnet, so

ist der EinfluB der vom Modell abgehenden Wellen auf die Anzeige des Registriergerates bei Fr 0,1

vernach-lassigbar Mein.

Zweitens konnen die durch das schwingende Modell erzeugten Wellen infolge der beschrankten Kanalbreite im Bereich kleiner Froudescher Zahlen einen

bedeuten-den EinfluB auf bedeuten-den gesamten Charakter der

Modell-bewegungen ausiiben. Die Ergebnisse von Arbeiten auf diesem Gebiet (Brard, Hanaoka, V amera U. a.) ermog-lichten es, Beziehungen zwischen der Fahrtgeschwindig-keit, der Wellenfrequenz, der ModeRange und der Kenai-breite zu finden, bei der dieser Einflul3 praktisch nicht, mehr vorhanden ist (Bud 5).

0,4 .;0.2 415 8,10 Fr kr 0,0505 0 ,5 2,0 ,V1 2,5

Bild 6. Abhangigkeit der kritischen Werte der Froudeschen Zahl von der relativen Wellenliinge

Der EinfluB der durch das Modell erzeugten Wellen auf Bewegung und Widerstand des Modells bei Fr Frkr ist verschiedentlich bei Seegangsversuchen bestatigt worden. Die in verschiedenen Versuchsanstalten

er-haltenen Ergebnisse bei Versuchen mit gleichen Model-len stimmen in der Regel nicht iiberein, die

experimen-tellen Punkte streuen stark. Daher werden gewohnlich Versuche bei Fr Frkr vermieden. was natiirlich ge-wisse Einschrankungen der Moglichkeit von

Modell-84 Schiffbauforschung 5 1/2/1966

0 0,3 0 5 0 0,5 1,0 7,5

1

Ihid 5. Ergebnisse von Berechnungen der Wellenamplituden bei Stumpf-bewegungen eines Frachter-Modells (v = 0)

1 in Richtung der x-Achse 2 in Richtung der y-Achse

Im Institut wird die Bestimmung der kritischen

Wer-te der Froudeschen Zahl (Frkr), unWer-terhalb derer die

Ergebnisse unzuverlassig sein konnen, nach einem Dia-gramm (Bild 6) vorgenommen.

It

- 0.75

5 Versuchsanstalt NSMB (Holland 6 Versuchsanstalt DTMB (USA) 7 Versuchsanstalt AEW (England)

2,49

0,5

Versuchsanstalt des Instituts (Modell Nr. 5183)

T = 1,25

untersuchungen zur Ermittlung der Seefiihigkeit von Schiffen im Bereich geringer Geschwindigkeiten mit

sich bringt.

Zur Festlegung einer gewissen Methodik und Ver-suchstechnik und zur Einschatzung ihrer Brauchbar-keit wurden auf Grund von Empfehlungen der

Inter-nationalen Konferenzen der Versuchsanstalten im

Institut Versuche im Seegang an einem Modell der

60-er Serie durchgefiihrt, das von einer Anzahl aus-landischer Versuchsanstalten als Standardmodell

be-nutzt wurde (AEW DTMW NSMB u. a.). Dieses Modell

(Bild 7) mit der Nummer 5188 besitzt nachstehende

Hauptmessungen :

L50 = 3.00 m

B = 0.40 m

T = 0,16 m.

Die Ergebnisse dieser Versuche in Form von

dimen-sionslosen Schlingeramplituden sind in den Bildern 8

and 9 dargestellt, in die auch zum Vergleich Kurven von Untersuchungen einiger anderer Versuchsanstalten mit

anlichen Modellen (nach den Daten des

DTMB-Re-ports 1309, 1960) mit eingetragen sind.

Die Versuchsergebnisse mit diesem Modell stimmen

qualitativ recht gut miteinander iiberein. Das beweist,

dal3 im allgemeinen die Versuchstechnik and -methodik

zur Bestimmung der Schwingungsbewegungen von Modellen im zweidimensionalen Wellengang in den fiihrenden Versuchsanstalten der Welt gegenwartig eine etwa gleiche Zuverhissigkeit der experimentellen Sehiffbauforschuns 5 1/211966

Bad 7

Modell der Serie 60 fiir Versuche bei Seegang

S7' 1,0 15 v [rn/s] 0,2 0.3 2,0 1,5 7,0 0,5 0 45 0,5 - Fr= 0 2,0 Fr-0,2 Fr-0,3

Bild 9. Kurven relativer Stampf- and Tauchamplituden eines Model's der Serie 60 bei entgegenlaufenden Wellen and verschiedenen Fronde-schen Zahlen

1 Versuchsanstalt des Institutes (Modell Sr. 5183) 2 Versuchsanstalt NSMB (Holland)

3 Versuchsanstalt DTMB (USA) 4 Versuchsanstalt AEW (England)

85

1111Ar.ri

risaid,,m

ESE.

Op

all

Pill

pion

II

ra

to

Bild S. Kurven der relativen Stampfamplituden des Modells der Serie GO lie! entgegenlaufenden Wellen and verschiedener Wellenkinge

1,0

1,5 0,5 7, 0 7,5 45 1,0 7,5 05

A4-2,0

Ergebnisse gewiihrleistet. Gleichzeitig muft jedoch auf eine merkliche quantitative Differenz insbesondere

Bereich des, Extremums (his 15%) bei den

Starnpf-amplituden hingewiesen werden.

Das weist darauf hin, daB neben der Streuung der

experimentelleri Punkt° sowohl bedeutende systemati-sche als auch zufiillige Fehler in siimtlichen verglichenen Ergebnissen auftreten.

Die wichtigste Ursache solcher Fehler sind die Ab-weichungen der Parameter des Wellenganges von den vorgegebenen Werten. Diese konnen bereits zwischen

zwei Versuchsfahrten auftreten Lind in vielen Schlepp-kandlen 5 his 7% je nach der VVellenhohe und -breite

erreichen.."

Der Fehler beirn Registrieren der Wellen kann

durch-schnittlich mit ±

dieser Fehler auch systematisch sein kann, Der mittlere

Registrierfehler, bei Winkel- und der

Vertikalbewe-gungen des -Modells sei 3%. Dann ergibt sich emn summarischer relativer Fehler bei der Errnittlung der

StampfkenngroBen- des Modells, sogar unter Beriick-sichtigung entsprechender Wellenberichtigungen, von

5 his 7%.

Das nachstehend beschriebene Verfahren [1]-. baut auf den Grundlagen der kriloffschen Stabilitiltsrech-nung [2] (die als bekannt vorausgesetzt wird) auf, un-terscheidet sich aber in der Durchfiihrung wesentlich von dieser. Die Durchfiihrung des Verfahrens nach J. Jens ist der iiblichen nach Kriloff vorzuziehen, da

die dort verlangte konstante Verdriingung in jeder

Neigungslage, die eine Schichtkorrektur mit

verein-fachenden Annahmen bedingt, bei Jens nicht erforder-lich wird. Das nachstehend geschilderte Verfahren

erit-spricht in semen Ergebnissen denjenigen der besten bisher iiblichen und bekannten Ma-. oder Grundver-fahren, wie Barnes oder Kriloff denen gegeniiber es aber- erhebliche Vorziige aufWeist. Der erforderliche

Zeitaufwand ist stets wesentlich geringer als bei Barnes

und bei rationeller und zweckentsprechender

Inter-vall-Annahme nicht groBer als bei .Kriloff. . Das

Ver-fahren kann kurzfriStig kontrolliert Werden.

Berech-nung mittels elektronischer Rechenautomaten ist

mi5g-1 ich.

1. Beschreibung des Verfahrens von Jens

Ausgangspunkt sind Kurvenblater fur jeweils eine

Nelgung, die sogenannten Kleinkurvenbliitter. Aus den SpantaufmaBen fiir die betreffenden Neigungen wer-den fiir eine Reihe von Tiefgiingen die Wasserlinien-flachen FwL(w) und Tritigheitsmomente JB(cp) berechnet. Durch Integration der Wasserlinienflachen erhiilt man

die Verdrangungskurven V,(y). In BiM 1 sind Beispiele fiir die Kleinkurvenblatter gebracht. Man bestimmt fiir

JI3((p)

eine konstante Verdrdrigung den Wert 111,,F,

Feiner mu3 bei der Gegenitherstellung von

E'rgeb-nissen verschiedener Versudhsanstalten sowie der

Ein-schatzung der experimentellen Geriauigkeit

berUck-sichtigt werden, daB auch eine,Anzahl pezifischer

Fak-toren einer jeden Versuchsanstalt und die Versuchs-bedingungen einen EinfluB ausilben. Zum Beispiel wirken sich unterschiedliche Methoden der Wellen-registrierung und der Anordnung der MeBgeber,

be-deutende Abweichungen in der GroBe des Massentriig-heitsmoments und der Schwerpunktslage des Modells, die verschiedenen Katialabmessungen in den Versuchs-anstalten, deren EinfluB auch bei Fr Fria moglich ist, usw-; aus. Diese Faktoren konnen systematische Fehler

verursachen, deren Grae oft nicht abschiitzbar ist.

In den letzten Jahren ist in den filhrenden

Versuchs-anstalten der Welt die Genauigkeit der Ergebnisse von

Modellversuchen bei Seegang durch vervollkommnete

Verfahren, verbesserte experimentelle Einrichtlingen

und Apparaturen wesentlich erhoht worden.

Jedoch ist sie noch nicht vollkornmen

zufrieden-stellend. Das Problem einer geeigneten

Versuctisme-thodik und -technik bleibt also, wie auch auf den letzten ITTC-Tagungen mit Recht festgestellt wurde, nach wie vor noch sehr aktuell.

Ein Verfahren zur genauen Bestimmung dr Hebelarmkurven

der statischen Stabilitat und Betrachtungen

fiber die Genauigkeit von Stabilitatsverfahren

nach den Unterlageri von Joachim; Jens, Hamburg und danach durchgerechneten Beispielen usammengestellt von Prof. K. Th. Braun

aus den Kurvenbnittern und integriert entsprechend

dem Kriloffschen Verfahren q'

YF

f MFP

0

(p

I MFy

graphisch. Die entsprechende Ubersicht vermittelt

Bild 2. Aus den beiden Koordinaten des

Verdrangungs-schwerpunktes Mat sich (nach einem Vorschlag von

E. Upahl) die Zusatzstabilit5t zh bestimmen:

zh = yip cot(/' MBFO (3)

Vorteilhafter hat

ich aber die zweite Variante von

Jens erwiesen, die er MN-Verfahren genannt hat (MN entspricht der Zusatzstabilitat zh). Anstelle der F-Kur-ve mit den laufenden Koordinaten [mcp); zF(c))], vie

vorhin, bedient man sich einer durch MB als Ursprnng verlaufenden Kurve mit den Koordinaten [y.(w); zin(cp)]. Es ergeben sich dann folgende Beziehungen (Bud 2):

(4) yr!, f Mg> Pq, cos cp dcp = f M(pP,,, sin 9) d zh = zm ym cot q) (5), ((i) Mcp Prp = Mq) F(I) FO (7) 86 Schiffbauforschting 5 112/1566