Untersuchung des strömungsverlaufs und der ablösungs-erscheinungen der strömung am vorschiff von völligen binnenschiffen

Untersuchung des

Strömungs-verlaufs und der

Ablösungs-erscheinungen der Strömung

am Vorschiff

von völligen Binnenschiffen

1.

Aufgabenstellung

Bei Versuchen mit völligen Binnenschiffsmodellen sind in der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau Duisburg in früheren Forschungsvorhaben merkliche Beeinflussungen des Widerstandes und der Schwimmlage dieser Modelle beobachtet worden. Die relativ kleinen örtlichen Reynolds-zahlen (Rn< 5 . 105_{) weisen darauf hin, daß es sich hierbei} um Strömungserscheinungen handelt, die nur am Modell auftreten. Es wird vermutet, daß die Ursache dieser Stör-effekte Ablösungserscheinungen im Bereich des Vorschiffes sein können. Unter diesen Voraussetzungenwäre eine zu-verlässige Umrechnung der Modellversuchsergebnisse auf die Großausführung in Frage gestellt. Für die Beurteilung und Brauchbarkeit von Modellversuchsergebnissen völliger Binnenschiffe ist aber eine genaue Kenntnis des Strö-mungsverlaufes am Vorschiff unumgänglich. Das Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, den Strömungsverlauf am Vorschiff eines völligen Binnenschiffes zu bestimmen, um Ansatzpunkte für die Analyse der Strömungsvorgänge am Vorschiff zu gewinnen.

2. Versuchsplanung

Es gibt eine Reihe von Untersuchungsmethoden zur Feststellung bzw. Sichtbarmachung laminarer oder turbu-lenter Strömung. Für das hier zu untersuchende Problem waren drei Methoden vorgesehen,die nacheinander zur An-wendung gelangten. In der ersten Versuchsphase wurde der Strömungsverlauf am Vorschiff mit Wollfäden ermittelt. Die Ergebnisse dieser Versuche sollten Hinweise für den Einsatz der Zylinderstaurohre im zweiten Versuchsab-schnitt geben. Erst nach Beurteilung der Ergebnisse beider Versuchsreihen wurde eine dritte Meßtechnik zur Bestim-mung des StröBestim-mungsverlaufes angewandt, die im Medium Luft als "Hitzdrahtmessung" bekannt ist und dort einwand-freie Ergebnisse bringt. In vielen Schiffbauversuchsanstal-ten wird in jüngerer Zeit der Versuch unternommen,diese Methode auch für Strömungsmessungen in Wasser anzu-wenden, und zwar mit Hilfe von "Heißfilmgebern". In der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e.V., Duisburg, kam die neue Versuchstechnik im Rahmen dieses Forschungs-vorhabens zum ersten Mal zum Einsatz.

3. Bestimmung der Strömung am Vorschiff

mittels Wollfäden

Im ersten Versuchsabschnitt ist mit der Wollfadenme-thode der Strömungsverlauf am Vorschiff eines völligen Binnenschiffes sichtbar gemacht worden. Durch dieses ein-fache Hilfsmittel konnte die Strömung in mehreren Ab-ständen von der Außenhaut beobachtet werden. Als Ver-suchsmodell war ein Motorgüterschiff, Typ "J oh a n n Wel-ker", im Maßstab"A.= 12,5 vorgesehen.

Da sich aus den Modellgeschwindigkeiten im Bereich der Vorschiffe sehr kleine örtliche Reynoldszahlen errechnen

1) Die Mittel zur Durchführung dieser Forschungsarbeit stellte dankenswerter Weise das Ministerium für Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen, Landesamt für Forschung,zur Verfügung.

2) Der ausführliche Bericht kann von der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau, Duisburg, unter der Berichts-Nr. 689gege n Erstattung der Kopierkosten bezogen werden.

HANSA - Schiffahrt - Schiffbau - Hafen- 112.Jahrgang - 1975 - Nr.4

155. Mitteilung der Versuchsanstalt

tür Binnenschiffbau e. V. Duisburg,

Institut an der

Rheinisch-Westfälischen-Technischen Hochschule Aschen')

Ing. H. Bin e k ')

lassen (Rn

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0,26-7- 1,275' 106_{) ,kann angenommen werden,} daß die Strömung in diesem Bereich noch laminar ist. Des-halb sind zusätzlich an den Modellen Untersuchungen mit Turbulenzerregern vorgenommen worden. Um festzustel-len, ob ein Unterschied zwischen längs- und querangeord-neten Stolperdrähten besteht, sind beide Varianten unter-sucht worden.

Mit zusätzlichen Druckmessungen am Boden des Schlepp-tanks sollten Hinweise auf mögliche Umschlagstellen der Strömung gegeben werden. Dazu waren fünf Druckdosen in einem Tankquerschnitt im Abstand von jeweils 250 mm von der Tankmitte ausgehend angeordnet. Der Druckver-lauf wurde auf einem Lichtstrahloszillografen registriert. Mittels einer Lichtschranke sind die Spantfolgen vom Bug bis zum Heck auf den Schrieb übertragen worden.

3.1 Ergebnisse

Die Fotoaufnahmen aus dem Beobachtungstunnel geben ein Bild der momentanen Strömung an den Vorschiffen wieder. In Bild 1 werden vier Vorschiffsbilder des lVIS "Jo-hann Welker" gezeigt. die bei gleicher Geschwindigkeit, aber mit unterschiedlicher Wollfäden- und Turbulenz-erzeugeranordnung gefahren worden sind. Aus einer Ge-genüberstellung der Fotos mit und ohne Turbulenzerzeuger bei an der Außenhaut anliegenden Wollfäden (Bild I und III) ist eindeutig ein Unterschied des Strömungsverlaufes festzustellen. Während bei den Versuchen ohne Stolper-draht (Bild I) die Wollfäden an der Außenhaut, mit Aus-nahme einiger Stellen unter dem Boden, einen glatten Verlauf zeigen, ist auf Bild III (Modell mit Stolperdraht) im Bereich der Kimm sehr deutlich eine Änderung der Strömungsrichtung zu erkennen. Die Fäden liegen nicht mehr glatt an. Das deutet auf turbulente Strömung hin. Die Bilder I, II und IV zeigen den Strömungszustand in verschiedenen Abständen von der Außenhaut. Wieweit die Wollfädenbänder hierbei selbst als Turbulenzerzeuger wirkten,wurde durch Widerstandsmessungen geklärt.

Da Ablösungen immer nur in Verbindung mit Druck-änderungen auftreten, ist es naheliegend, die bei den Ver-suchen vorgenommenen Druckmessungen am Boden des Schlepptanks in die Betrachtungen mit einzubeziehen. In Bild 2 sind die auftretenden Drücke für die untersuchten Geschwindigkeiten und für das mit Querstolperdrähten versehene Modell am Typ "Johann Welker" dargestellt.

Wesentlich für die Beurteilung der Strömung scheinen die qualitativen Aussagen der Druckmessungen zu sein. Die im Vorschiffsbereich auftretenden Druckschwankungen zeigen, in Verbindung mit den visuellen Beobachtungen der Wollfadenversuche und den daran anschließenden Wider-standsmessungen, daß eine Strömungsänderung eintritt. Die Strömung ist hier mit Sicherheit nicht mehr laminar, sondern turbulent. Ob bereits Ablösung eingetreten ist, kann aber nicht ausgesagt werden.

Die bisher gewonnenen Erkenntnisse reichen aus, um die Gebiete am Vorschiff zu bestimmen, an denen Ablösung erwartet werden kann und an denen im zweiten Versuchs-abschnitt die Messungen mit Zylinderstaurohren vorge-nommen wurden.

Bild I Abstand Wollfäden-i-Außenhaut= 0 mm Modell ohne Stolperdraht

Bild 111 Abstand Wollfäden-;-Außenhaut=0 mm Modell mit Querstolperdraht

Eild 11 Abstand Wollfäden -;- Außenhaut=5 mm ModellohneStolperdraht

Bild IV Abstand Wollfäden-;- Außenhaut=15 mm Modell ohne Stolperdraht

Bild 1 Strömungsverlauf am Vorschiff eines völligen Binnenschiffes, Typ "Johann Welker" J..~12,5;h =600 mm~7,5;V =1,22m/s~15,5 km/h

3.2 Folgerungen

Die Ergebnisse der bisherigen Modelluntersuchungen

zei-gen, daß in Außenhautnähe (bis

=

5 mm) die größten

Stö-rungen im Bereich der Kimm auftreten. Erst bei größerem

Abstand von der Außenhaut werden diese Erscheinungen

auch unter dem Schiffsboden sichtbar. Die Aufnahmen, die

vom Fototunnel aus gemacht worden sind, vermitteln den

Eindruck,daß es sich um Ablösungserscheinungen handeln

kann. Durch die gemessenen Bodendruckschwankungen

wird dieser Eindruck zwarver stär kt, ist aber kein schlüs

si-gerBeweis.

Aus den Ergebnissen der bisher gemachten Versuche läßt

sich der Bereich am Vorschiff des Modells eingrenzen, in

dem möglicherweise Ablösung auftritt. Er liegt zwischen

denSpanten 181_{/2 und 19. Druckmessungenam Modell,die}

zu genaueren Aussagen führen, müssen folglich in diesem

Bereich durchgeführt werden. Die Meßstellen sind derart

anzuordnen, daß sie sowohl den Schiffsboden, als auch die

Kimm und die Bordwand erfassen. Ferner scheint es

wich-tig,in verschiedenen Abständen von der Außenhaut

Mes-sungen vorzunehmen, da sich die Strömung mit dem

Wand-abstand ändert.

Die Versuche mit unterschiedlichen Turbulenzerregern

haben ergeben, daß die Anordnung "Modell mit

Querstol-perdrähten" für die weiteren Untersuchungen die

aus-sichtsreichste zu sein scheint.

278

4

.

Bestimmung der Strömung am Vorschiff

mit Zylinderstaurohren

Die Strömung in der Grenzschicht eines Körpers weist bei Vergrößerung der Reynoldschen Zahl"Rn= V'Llv

>

106

einen Übergang von der laminaren in die turbulente S

trö-mungsform auf. Die turbulente Strömung hat eine we

sent-lich andere Geschwindigkeitsverteilung als die laminare,

weil der Hauptbewegungsrichtung eine senkrecht dazu

stehende Bewegung überlagert ist. Der Umschlag der l

arni-.n a ren Strömung in turbulente Strömung tritt durch ein

plötzliches starkes Anwachsender Grenzschichtdickein Er-scheinung [1]. Da hiermit auch eine Änderung der

Ge-schwindigkeitsverteilung verbunden ist,kann man z. B. mit

einem Pitotrohr den Umschlagbereicherfassen,indem Me

s-sung en in ver sch ied enen Wandabständen vorgenommen

wer den. In der VBD wurden mit dem von Gutsche [2] für

ebene Strömung entwickelten winkelempfindlichen Zylin-derstaurohr solche Messungen durchgeführt. Der Vorteil

diesesStaurohres liegt darin, daß durch relativ kleine

Boh-rungen (6 mm) in der Außenhaut jede gewünschte Meß-stelle im Vorschiff erreichbar ist. Ohne wesentliche Störung der Strömung kann in verschiedenen Abständen von der Außenhaut gemessen werden. Aus dem Ergebnis der Ver-suche mit Wollfäden ist der enge Bereich zwischen den

Spanten 181_{/ 2und 19 für die weiteren Untersuchungen}

her-angezogen worden. Das Ziel der Messungen mit

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Bild 2 Bodendruckmessung am Modell eines Gütermotorschiffes,Typ"Johann Welker" A= 12,5;h ~ 400mm~5,0 m;V = 0,6rnJs - 1,3rnJs~7,6 krn/h- 16,6km/h

staurohrenwa r eine Aussage über Richtungund Größe der

Strömung. Zusätzlich wurden im parallelen Mittelteil des

Modells vergleichende Messungenvorgenommen (Spt. 14).

4.1 Versuchstechnik, Meßgeräte

An dem im 1. Versuchsabschnitt verwendeten "J oh a n n Welker"-Modell (s. Kap.3) sind in den Spantquerschnitten

14,181_{12 und 19 normal zur Außenhaut und glatt mit ihr}

ab-schlie ßen d Halterungen eingearbeitetworden,die eine

ge-naue Führung der 6 mmstar k en Zylinderstaurohre

ermög-lichen.Vom Modellinneren aus können die Staurohreau

s-gerichtet und von 0 mm bis 50 mm nach außen verstellt

werden. Ausgangsstellungfür die mittleren Meßöffnungen

der Zylinderstaurohre,die sich unter dem Boden befinden

(Meßstellen 1,2,5, 6, 9 und 10 s. Bild 3), ist die

Parallelstel-lung zur Schiffslängsachse. Die Ausgangslagen der

mittle-ren Maßöffnungen für die Zylinderstaurohre in den

Meß-stellen 3, 4,7 und 11 verlaufen parallel zur jeweiligen Wa

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Bild 4 Geschwindigkeit im Spantquerschnitt 19; Parameter=Wandabstand

(aus Messungen mit Zylinderstaurohren) Bild3 Strömungsverlaufam Vorschiff eines Gütermotorschiffes.

Typ"J oh a n n Welker" (ausMessungen mit Zulinderstaurohren)

-).~ 12,5;h ~400mm~5,0m;V = 1,1m/s~14,0km/h

serlinientangente. In sämtlichenMeßstellen stehen die Z

y-linderstaurohre normal zur Außenhaut.Weitere Ein

zelhei-ten über dieVersuchstechniksind dem ausführlichen VBD-Bericht zu entnehmen [5].

'.1

Bild 5 Geschwindigkeit im Spantquerschnitt18' j,;-Parameter= Wandabstand

(aus Messungen mit Zylinderstaurohren)

keitsänderungen hängen ursächlich mit Druckänderungen zusammen. Eine laminare Grenzschicht kann nur einen

ge-ringen Druckanstieg ertragen, ohne sich abzulösen. Wenn

trotzdem in realer Strömung in vielen Fällen beträchtliche

Druckanstiege ohne Ablösung überwunden werden,so kann

angenommen werden,daß die Strömung turbulent ge

wor-den ist.

Um nicht nur den kleinen Strömungsbereich des Vor-schiffes zu betrachten, sind zum Vergleich parallel zu den Messungen in den Spantquerschnitten 19 und 181_{/2auch die}

Strömungsverhältnisse unter dem Boden in Nähe des

Hauptspantes gemessen worden, da hier auf Grund der größeren örtlichen Reynolszahlen eine turbulente Strömung wa h r schein li cher ist.

Bild 6 Geschwindigkeit im Spantquerschnitt 14; Parameter= Wandabstand

(aus Messungen mit Zylinderstaurohren)

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Zum besseren Verständnis der Geschwindigkeitsm

essun-gen mit Zylinderstaurohren ist es zweckmäßig, an dieser

Stelle zunächst die Ergebnisse der aus den Messungen

resultierendenAnströmriehtungenzu erläutern. Bild 3 zeigt das untersuchte Vorschiff mit eingezeichneter Strömungs-richtung. Sie gilt für eine Fahrgeschwindigkeit von 1,1mls

bei einem Meßabstand von 8 mm von der Außenhaut. Der

gemessene Strömungsverlauf ist durch Pfeile dargestellt.

Die größten Schwankungen der Anströmrichtung traten im

Bereich der Kimm auf, und das in besonderem Maße im

Spantquerschnitt19 an der Meßstelle 3. Hier war es in vie-len Fälvie-len kaum möglich, eine eindeutige Strömungsrich-tung zu erhalten. Der auftretende Streubereich ist durch zw ei Pfeile markiert.

Die in Bild 3 gezeigten Strömungsrichtungen sind

cha-rakteristisch für alle untersuchten

Geschwindigkeitszu-stände.

Vergleicht man Bild 1 (Messung der Strömungsrichtung

mit Wollfäden) mit Bild 3 (Messungder Strömungsrichtung

mit Zylinderstaurohren),so stellt man eine recht gute

über-einstimmung der Wollfädenrichtungen mit den

Pfeilrich-tungen für den flachen Bereich des Bodens und der

Bord-wand fest. Auf den Fotos von Bild 1 sind ebenfalls im Be-reich der Kimm deutliche Schwankungen der Strömungs-richtung sichtbar.

Die Meßergebnisseder örtlichen

Strömungsgeschwindig-keiten V bei den untersuchten FahrgeschwindigStrömungsgeschwindig-keiten Vo sin d für die Spantquerschnitte 19, 181_{/ 2 und 14 in den}

Bil-dern 4-6 dargestellt. über den abgewickelten Spantlängen

wurden die mit Vo dimensionslos gemachten Meßwerte in

ihren einzelnen Meßstellen aufgetragen. Parameter sind die

Wandabstände 4 mm, 8 mm und 12 mm.

Diese Abbildungen lassen erkennen, an welcher Stelle

und·b eiwelch en Wandabständeninnerhalb der

untersuch-ten Spantquerschnitte über- oder Untergeschwindigkeiuntersuch-ten

auftreten. Ferner läßt sich die Grenzschichtdicke ab

schät-zen, obwohl die Strömungsgeschwindigkeiten außerhalb

der Grenzschicht noch nicht ganz erreichtwur den. Eine Er-weiterung der Abstandsvarianten war aus zeitlichen Grün-den nicht möglich.Für eine erste Beurteilung der Strömung innerhalb der Grenzschicht reichen die Meßergebnisse je-doch aus.

Die direkte Messung der Turbulenz mit Z

ylinderstauroh-ren war nicht möglich. Eine Analyse der bisherigen

Meß-ergebnisse kann aber zur Klärung beitragen.Gesch

Bild 7 Geschwindigkeitsverlauf in Schiffslängsrichtung

amTyp"J o h annwetker-,

Anst römges chwind tg k e t ten V0 =0,9m/s;1,1m/s ;1,3m/s,A=12,5

In Bild 7 sind die mit V0 dimensionslos gemachten

Ge-schw in d igk e it en von Spant 20 bisSpant 14 für verschiedene

Längsschnitte dargestellt. Die eingezeichneten Bereiche

I-IV setzensich aus den folgenden Meßstellen zusammen

's. a. Bild 3):

Um einen ex akten Strömungsverlauf am Vorschiff erfas

-sen zu können, bedarf es einer größ eren Zahl von

Meß-stellen in Schiffsl ängs- und Schiffsquerrichtung. Dennoch

soll mit der ger in g en Anzahl von Meßpunkten derVer such

unternommen wer d en, einen zunächst qualitativen

über-blick über den Geschwindigkeitsv erlauf innerhalb der

Grenzschicht in Schiffslängsrichtung darzustellen. Es wird

hierzu angenommen,daß die jeweils

hintereinanderliegen-den Meßstellen der Spanten 19, 181_{/2und 14 etwa in}

Strö-mungsrichtung ver l a ufen. Als zusätzlichen Strakpunk t er

-hält man Spt .20,wenn man von der Annahmeau sge h t,da ß

am Vorsteven ein Staupunkt,also V= 0vor han den ist.

Im dr itt en Versuchsabschnitt wu r de mit Disa-Hei ß

film-geber n dieStrömungs geschwindigkeitund die Ar t der

Strö-mung im Bereich der Grenzschichtam Vorschiff ein es "J

o-hann Welker"bestimmt.

5. Bestimmung der Strömung am Vorschiff

mit Disa-Heißfilm-Gebern

Das Meßprinzip des Heißfilm-Anemometers beruht auf

dem Wärmeverlust beheizter Widerstandsfühler [4J. Der

Fühler befindet sich in der zu messenden flüssi gen

Strö-mung undwird von ihr abgekühlt. Die Gr öß e des

Wärme-verlustesist ab hängig voneiner Reihe von Paramet ern wie

z. B. Tem p eratur, Druck un d Geschw indigkeit des zu

mes-senden Mediums . Wenn sich nur die Gesch windigkei t des

Med ium s än d ert, oder wen n man durch geeig n ete elektri

-scheSchaltungen die Einflü sse der anderen Parameter eli

-miniert, dann ist der aug en b li ckli che Wärmev e rlust des

Fühlersein Maß für die momentane Geschwindigk ei t der

Strömung.

Im Gegensatz zu allen bisher bekannten Meßverfahren

ist es mit Disa-Heißfilmgebern auf Grund ihrer

hochfre-quenten Eigenschaften möglich, direkt aus den

Meßschrie-ben dieArt der Strömungsformzu erkennen.

Die Messungen mit Disa-Heißfilmgebern fanden an den

gleich enStellen statt, an denen mitZylinderstaurohren

ge-messen word en ist. Ein absoluter Vergleich der Werte aus

den Zyl inderstaurohrmessungen mit denen der

Disames-su n gen ist nicht durchführbar, da die verwendeten

Disa-Sonden nur die Strömungsgeschwindigkeiten erfassen, die

in Einstellrichtung verlaufen, wogegen mit

Zylinderstau-rohren dieStrömungsrichtung zweidimensional

aufgenom-men werden kann, sofern ihr Anströmwinkel kleiner als

±

40°ist.

Auf Grund der noch keineswegs restlos befriedigenden

Anw endung von Heißfilmgebern in den Schlepptanks der

Schiffbauver suchsanstaltenwurde darauf verzichtet , Me h r

-komponentengeber zu verwen d en . Die Meß er geb n iss e der

einfacheren Einkomponentengeber lassen sich sicherer

in-terpretieren. Deshalb wu r d e auf das möglicherweise

grö-ßere Aussagevolumen der Mehrkomponentengeber ver

-zichtet.

Durch umfangreiche Eichfahrten über einen längeren

Zeitraum hatte sich gezeigt, daß ein Maximum an

Meß-genau igk eit nur dann erreicht werden konnte, wenn vor und nach jeder Meßfahrt Kontrolleichungen vorgenommen

wurden. Ein gewisser Streubereich trat dabei immer auf.

Selbst bei sorgfältigster Messung konnten

Geschwindig-keitsunterschiede von

±

3Ofonicht ausgeschlossenwe r d en.

1 Wandobs t.12 m m} I. cm m Meß5te([en 1.5.9 1/,Wandobst.12mm} K._ t.m m Meßst ellen2,6.10 EI Wando bst. 12mm} 11. 4 mm Meßstellen3,7. 1Y Wandobst.12 m m} U.. smm Meßst elien1.,8, Bug (Spt. 20) - Meßst.1 (Spt. 19) -Meßst.5 (Spt.18_'1.)- Meßs t.9 (Spt.14) Eug (Sp t . 20) - Meßst. 2 (Spt, 19) -Meßst. 6 (Spt,18_'1.)- Meßst.10 (Spt. 14) Bug (Spt,20) - Meßst.3 (Spt.19) -Meßst .7(Spt .18_'/,) Bu g (S pt.20) - Me ß st.4(S p t.19) -Meß s t.8(Spt.18_'1.) Sp t. 19 SpI.78'/2 1.2 Spt.20 1.0 Q9 Q7 Be r eich!II Bere ich !I Be r ei ch I BereichIV 5.1 Ergebnisse

Mit Disa-Heißfilmgebern ist es möglich, auch relativ

hochfrequente Geschw indigkeitsänderungen zu erfassen,

die sich auf dem Registriergerät deutlich sichtbar einer

Die jeweils sch r a ffierten Felder umfassen den Bereich

·d er drei untersuchtenGeschwindigkeiten, wob ei dieuntere

Grenze den Wandabstand 4 mm und die obere den

Wand-abstand 12 mm anzeigt. Aus der Darstellung ist gut zu

er-kennen, daß sich die dickeren Grenzschichten im flachen

Teil des Bodens befinden (Bereich I und II), während die

dünneren in der Gegend der Kimm und der Bordwand

auf-treten (Bereich III-IV). Die Geschwindigkeiten steigen von

Spt. 20 (angenähert null) überSpt. 19 bis Spt. 181_/2und

fal-len dann zum Spt.14 hin stetig ab.

Die großen Geschwindigkeitsunterschiedebei den

Wand-abständen von 4 mm bis12 mm im Bereich I und II und die

ab Spt. 181_{/2 st a r k abfallenden Geschw indigkeiten deuten}

auf eine turbulente Strömunghin. Für dieBereiche III und

IV, die sich ausschließlich zwischenden Spanten 19 und 181_/2

befinden, lä ß t sich an Hand der Zylinderstaurohrmessung

über die Art der Strömung keine genaue Aussage machen.

Eine einheitliche Tendenz der

Strömungsgeschwindigkei-ten, für die Spantquerschnitte 181_{/ 2 und 19 innerhalb der}

Grenzschicht in Abhängigkeit von den drei verschiedenen

Fahrgeschwindigkeiten, ist nicht feststellbar. Im Spant 14

sind die Strömungsgeschwindigkeiten unabhängig von den

Anströmgeschwindigkeiten für die Wandabstände 8 und

12 mm fast gleich. 1 '°% 60%

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Bild 8 Turbulenzen im Spantquerschnitt 19,

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Bild 9 Turbulenzenim Spantque r s chnitt181_/.

VII = 0,9m/s-i-1,3m/s

Bild 10 Turbulenz im Spantquerschnitt 14 Bild 11 Vergleich der Geschwindigkeitsmessungen zwischen

V0=0,9m/s-i-1,3m/s Zylinderstaurohren und Heißfilmgebern(Spantquerschnitt 19)

mittleren Geschwindigkeitsänderung überlagern. Die Größe der Doppelamplituden dieses dynamischen Anteils können als ein Maß für die Turbulenz definiert werden.

In Bild 8-10 sind die Doppelamplituden des dynami-schen Geschwindigkeitsanteils zu den mittleren örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten ins Verhältnis gesetzt und über den Wandabständen für die einzelnen Meßstellen auf

-getragen worden. Die schraffierten Flächen geben den Be-reich für die drei untersuchten Anströmgeschwindigkeiten

0,9 mls, 1,1 mls und 1,3 mls wieder. Die einzelnen Meß-stellen sind durch unterschiedliche Stricharten gekennzeich

-net worden.

Einen Vergleich der Meßergebnisse mit Zylinderstauroh-ren und Disa-Gebern zeigen Bild 11 und 12.Hier sind die Geschwindigkeitsprofile der Grenzschicht über den Wand

-abständen aufgetragen worden. Für die drei Anstr

ömge-schwindigkeiten wurde ein Mittelwert gebildet. Die Über-einstimmung ist im Bereich des Modellbodens befriedigend bis gut (Meßstelle 1,2,5, 6),im Bereich der Kimm und der Bordwand (Meßstelle 3, 4, 7, 8), vor allem bei Spant 18'12,

allerdings nicht mehr.

Es sei noch einmal darauf hingewiesen, daß der Einfluß der Anströmungsrichtung von den Einkomponentenheiß-filmgebern schon in einer nur zweidimensionalen Strömung nicht aufgenommen werden kann. In welchem Maße sämt-liche Meßergebnisse vor allem im Bereich der Kimm und der Bordwand durch die auch nicht zu vernachlässigende 3.Dimension der Strömung beeinflußt worden sind,konnte nicht analysiert werden.

Eine wesentliche Aussage der Disamessungen stellen die Ergebnisse in Bild 8-10 dar.Mit keiner der bisher bekann-ten Meßmethoden war es möglich, auf so einfache Weise laminare oder turbulente Strömung festzustellen. Die ge-messenen dynamischen Geschwindigkeitsanteile, die zur örtlichen Geschwindigkeit ins Verhältnis gesetzt worden sind,Vdyn/V,charakterisieren die Intensität der

8. Symbolverzeichnis

9. Schrifttum

[I] Schlichting, H.: Grenzschicht-Theorie. Verlag G. Braun, Karls-ruhe 1965.

[2] Gutsche,F.:Das Zylinderstaurohr. Schiffbau 1931, S. 13. [3] Laute, W.: Untersuchung über Druck- und Strömungsverlauf

an einem Schiffsmodell (Diss.).Deutsche Verlagswerke Strauß,

BerUn 1931.

[4] Drischel, S., Grollius, W.:Erprobung einer Meßeinrichtung zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten mittels

Heiß-ftlrngeberri,VBD-Bericht Nr.693 (unveröffentlicht).

[5] Binek, H.,Müller, E.: Untersuchung des Strömungsverlaufs und der Ablösungserscheinungen der Strömung am Vorschiff von

vö llig e n Binnenschiffen. VBD-Bericht Nr. 689.

bei unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten ermittelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung in Verbindung mit Tank-Bodendruckmessungen waren maßgebend für die Festlegurig der Meßstellen am Modell (Spantquerschnitte 19, 181_{/2und 14).}

Durch mehrere Widerstandsmessungen wurde eine gün-stige Anordnung der Turbulenzerzeuger gefunden.

Im zweiten Versuchsabschnitt ist die Strömung am Vor-schiff des Versuchsmodells mit Zylinderstaurohren gemes-sen worden. Ein Vergleich der Ergebnisse zwischen den Wollfäden- und Zylinderstaurohrversuchen ergab eine gute übereinstimmung der so gefundenen Strömungsrrchtungen.

Die Geschwindigkeitsmessungen mit Zylinderstaurohren zeigten für den flachen Teil des Bodens ein Anwachsen der übergeschwindigkeiten mit zunehmender Grenzschicht-dicke. Im Bereich der Kimm dagegen wurden starke Un-tergeschwindigkeiten und dünnere Grenzschichten festge-stellt. Ein direktes Erfassen der Turbulenz war mit den Staurohren nicht möglich. Ein eindeutiger Nachweis von Ablösung war nicht zu erbringen.

Die dritte Methode zur Bestimmung des Strömungsver-laufes wurde mit Disa-Heißfilmgebem durchgeführt. Im Gegensatz zu den Zylinderstaurohren war es mit Disa-Ge-bem möglich, die Art der Strömung (laminar oder turbu-lent) direkt aus dem Meßschrieb zu ersehen. Diese einfache Bestimmung des dynamischen Geschwindigkeitsanteils be-deutet einen wesentlichen Fortschritt im Rahmen der neuen Versuchstechnik.

Ein qualitativer Vergleich der statischen Geschwindig-keitsmessungen zwischen Zylinderstaurohren und Disa-Heißfilmgebern zeigte befriedigende Ergebnisse.

Soweit die Ergebnisse der drei Meßmethoden unterein-ander vergleichbar waren, führten sie meist qualitativ und zum Teil auch quantitativ zu guten Übereinstimmungen. In keinem Fall konnte jedoch an einer der untersuchten Stel-len im Bereich des Vorschiffes mit Sicherheit Ablösung festgestellt werden. Reynoldszahl Gesamtwiderstand Abserikurig Modellgeschwindigkeit Schiffsgeschwindigkeit

dynamische Geschwindigkeit

Anströmgeschwindigkeit

Modellmaßstab kinematische Zähigkeit

Trimm kl = kopflastig stl= steuerlastig [mm] Zylinderstaurohrdurchmesser

Im), [mm] Wasserhöhe

Im], [mm]Schiffslänge;Modellänge

[kp] [mm] [m/s] [km/h] [m/s] [m/s] [-I "[m'/s] [<}:'] d h L V'L - "- [ -] v v RT sz VM

Vs

v'dyn Va A

digkeitssehwankungen und können als ein relatives Maß für die Turbulenz angesehen werden.

Charakteristisch für alle Messungen ist der hohe Turbu-lenzanteil bei kleinem Wandabstand. Mit zunehmendem Abstand von der Außenhaut werden die Geschwindigkeits-schwankungen kleiner. Betrachtet man die Ergebnisse in der Spantfolge 19,181_{/2 und 14, also in Schiffslängsrichtung.}

so stellt man fest,daß die Turbulenzen in den jeweils ver-gleichbaren Meßstellen vom Bug bis zum Heck hin anwach-sen.Das gilt für sämtliche untersuchten Wandabstände und Antrömgeschwindigkeiten. Interessant ist auch der konti-nuierliche Verlauf der Geschwindigkeitsschwankungen über dem Wandabstand in Verbindung mit der Feststel-lung, daß die drei untersuchten Anströmgeschwindigkeiten in einem relativ kleinen Streubereich zusammenfallen. Alle Tendenzen der dargestellten Ergebnisse decken sich mit den bisherigen Vorstellungen und den theoretischen Aussagen über den Strömungsverlauf an einem Schiffskörper.

6. Gegenüberstellung der Ergebnisse

Wenn auch die Voraussetzungen für einen quantitativen Vergleich zwischen den Zylinderstaurohrmessungen und den Disamessungen nicht erfüllt waren, so war es doch mög-lich, einen qualitativen Vergleich der Messungen vorzuneh-men. Die Ergebnisse aus beiden Untersuchungen sind daher in gleicher Form dimensionslos über den abgewickelten Spantlängen dargestellt worden. Ein Vergleich der entspre-chenden Abbildungen zeigt, daß die Kurven in ihren Ten-denzen sehr gut übereinstimmen. Selbst für den meßtech-nisch kritischen Bereich der Kimm haben sich die gemesse-nen Untergeschwindigkeiten in der dargestellten Form be-stätigt.

Einen guten qualitativen Vergleich der Untersuchungen mit Zylinderstaurohren und Disa-Heißfilm-Gebern zeigen die Bilder 11 und 12. Hier sind die Grenzschichtprofile aus beiden Messungen in ihren Meßstellen gemeinsam aufge-tragen. Dem Verlauf der Kurven ist"ein deu tig eine gleiche Tendenz zuzuschreiben. Der aus den Abbildungen ersicht-liche quantitative Unterschied ist dadurch bedingt, daß bei der Staurohrmessung die Geschwindigkeitsresultierende in der Tangentialebene zur Außenhaut bestimmt wurde, wo-gegen die Disa-Sonde im Bereich des ebenen Bodens die Komponente in Fahrtrichtung bzw. im Bereich der ge-krümmten Außenhaut in Richtung der Wasserlinientan

-gente liefert. Tatsächlich zeigen auch die Ergebnisse die quantitativ größten Unterschiede an den Stellen,an denen die stärksten Abweichungen der Strömungsrichtung von der Anströmrichtung festgestellt worden sind. Die qualita-tiv gute übereinstimmung der Versuchsergebnisse läßt darauf schließen, daß der mit den Disa-Gebern gemessene statische Geschwindigkeitsanteil sowohl unter dem Schiffs-boden als auch im Bereich der gekrümmten Außenhaut, richtig erlaßt worden ist.

Es war weder mit Zylinderstauohren noch mit Disa-Heißfilmgebern möglich, in dem untersuchten Vorschiffs-bereich eindeutig Ablösung nachzuweisen.

7. Zusammenfassung

Am Vorschiff eines völligen Binnenschiffes vom Typ "Jo-hann Welker" wurde die Strömung nach Richtung, Größe und Art untersucht. Dabei sind drei verschiedene Methoden angewandt worden.

Mittels Wollfäden wurde die Strömungsrichtung am Vor-schiff in verschiedenen Abständen von der Außenhaut und

NEUE SCHIFFE

Trockenfrachter

"Bandundu"

Reederei: Compagnie Ma r itime Zairoise ,Kinshasa,Zaire.

Bauwerft:Bremer Vulkan,Bremen-Vegesack, Bau-Nr.998.

Zweites von sech s Schiffen für die CMZ und insgesamt das 20. Schiff dieses Me h r z w e c k-Frachtertyps.

Hauptdaten:Lüa 139,56m, B 21,00 m, H 12,30m,T 9,19m.

Tragfähigkeit ca. 15000 tdw, Vermessung 9400 BRT. Um-fangreiches Ladegeschirr. Süßöltanks. Antrieb: BV-M.A.N.-Motor, Typ K6Z 70/120, V 16,0 kn. Klasse GL. - Abliefe-rung: 13. Januar 1975.

SUAG-Neubau 2256

Reederei:Monarch Steamship Co.Ltd.,Edinburgh. Bau-werft: Schichau Unterweser AG, Bremerhaven. Bau-Nr. 2256. Erstes von drei Roll -0nIroll -0f f - S chi f f e n

für die gleiche Reederei; vorgesehen für die Route Felix-stowe-Rotterdam(Europoort).

Hauptdaten: Lüa 117,85 m, Lpp 107,25 m, B 19,90 m,

H 11,65/6,30 m, T 5,70/4,95 m. Tragfähigkeit 4000/2500 tdw,

Vermessung 3500/2000 BRT, Bugrampe 4 m breit, Heck-rampe 6,5m breit. 1000 m Ladelänge für Lastwagen. Hebe-bühne 40 t. Antrieb: zwei Stork-Werkspoor-Motoren, Typ 9TM410C, je 5700 PS, V 18,4 kn. Bugpropeller 2 X 600 PS. 76 Passagiere, davon 54 in Kabinen.Klasse LR. - Stapel-lauf:20.Dezember 1974.

Bulkcarrier

"Wera Jacob"

Reederei: Partenreederei "Wera Jacob", KR Ernst Jacob,

Flensburg. Bauwerft: Flensburger Schiffsbau-Gesellschaft, Flensburg.Bau-Nr.644.Vierter B ulk c a r r i e r des Typs

50/15 der FSG.

Hauptdaten: Lüa 215,50 m, Lpp 205,00 m, B 28,00 m, H 17,30 m,T 12,50 m. Tragfähigkeit 50550 tdw, Laderaum-inhalt 2,3 Mill.cbf.Sieben Laderäume, neun Luken, davon Luken lI-IX besonders breit (22 m). Raum V für Ballast-wasser vorgesehen.Antrieb:M.A.N.-Motor, Typ 14V 52/55 ,

12600 PS, 430/114 U/min, V 15 kn. Verstellpropeller. Klas-se GL.- Ablieferung: 19. Dezember 1974.

"Tsuru Arrow"

Reederei: Kriship Shipping Co. Ltd., London. Bauwerft: Mitsui Shipbuilding & Engineering Co.Ltd.,Werft Fujina-gata, Bau-Nr. 1011. B ulk c a r r i e r mit besonders brei-ten Lukenöffnungen.

Hauptdaten: Lüa 182,00 m, Lpp 174,00 m, B 29,00 m, H 16,10 m, T 11,61 m, Tragfähigkeit 38 069 tdw,Vermessung 24997 BRT, Laderauminhalt 41684 cbm. Antrieb: Mitsui-B&W-Motor, Typ 7K74EF, 13100110600 PS, 124/120 U/min,

V 16,9/14 ,5 kn. Klasse NV. - Ablieferung: 24. Dezember

1974. 284

"Ma ta i"

Reederei: Pulpships OY, Helsinki, Bauwerft: Astilleros EspafiolesS.A.,WerftSevilla.B ulk c a r r i e r.

Hauptdaten:Lüa 196,00m,B 24.20m, H 15,20m,T 11,11m. Tragfähigkeit 35000 tdw, Antrieb: AESA-Sulzer-Motor, Typ7RND68,11 500 PS.- Ablieferung: 31. Dezember 1974.

"Grigoriy Alekseev"

Reederei: V/O Sudoimport, Moskau. Bauwerft: Hitachi Shipbuilding & Engineering Co. Ltd., Werft Mukaishima.

B ulk c a r r i e r mit besonders großem Laderaumgehalt sowie eigenen Belade- und Löscheinrichtungen (Elevatoren und Förderbänder) für die Fahrt mit wood chips.

Hauptdaten: Lpp 158,00 m, B 24,60 m, H 16,40 m, T 7,9 (9,9) m. Tragfähigkeit 16730 (23606) tdw, Vermessung 18398 BRT, Laderauminhalt 41170 cbm.Antrieb: Hitachi-B&W-Motor, Typ 6K62EF, V 16,1 kn. - Ablieferung: 25. November 1974.

Erz-Öl-Schiff

"Skanbo"

Reederei: AiS Eikland, Norwegen. Bauwerft: Kawasaki Heavy Industries Ltd., Werft Kobe, Bau-Nr. 1205. Erstes von zwei Erz -Ö1 - S chi f f e n .

Hauptdaten: Lüa 273,00 m, Lpp 260,00 m, B 44,00 m, H 21,80.m, T 16,10 m, Tragfähigkeit 132416 tdw, Vermes-sung 76 642 BRT, Laderauminhalt Erz 71 840 cbm, Öl 166024 cbm. Antrieb:Kawasaki-M.A.N.-Motor, Typ K9SZ

90/160, 26 100 PS, 122 U/min, Vmax 16,4 kn. Umfangreiche Sicherheitseinrichtungen (Feuerschutzisolierung des Ach-terschiffes gegenüber dem Laderaumteil, Inertgasanlage usw.)sowie zeit- und arbeitssparende Pumpen- und Reini-gungsanlagen. Klasse NV. - Ablieferung: 23. Dezember 1974.

Versorgungsschiff

"Friedensturm"

Reederei: Deutsche Dampfschifffahrts-Gesellschaft

"H a n sa ", Bremen.Bauwerft: Rheinwerft Walsum der GHH Sterkrade AG, Bau-Nr. 1116. R öhr e n t r ans po r t e r aus einer Serie von fünf bei der Rheinwerft Walsum be-stellten Einheiten.

Hauptdaten: Lüa 56,12 m, Lpp 51,00 m, B 14,00 m, H 5,18 m, T 4,59 m. Tragfähigkeit 1300 tdw, Vermessung 940 BRT. Wannenförmiges Deck für den Röhrentransport.Vier Laderäume für Zement und Schwerspat, zusammen 180 cbm. Antrieb: zwei Dieselmotoren,je 1740 PS, V 13 kn. Ab-lieferung: 10.Januar 1975.