Ein Beitrag zur Bestimmung der Koeffizienten
der hydrodynamischen Kräfte in den Gleichungen
der Tauch- und Stampfbewegungen eines Schiffes
S. IL Sp h a i e r
TZCNSCHE UT&T
Laboratoilum voor cheepshydromechanl Archief Mekelweg 2, 2628 CD Detft 1. Einleitung s: O1 - 786Bì - Fa 015 V812Die Formulierung des Problems der T a u c h - und S t a m p f
-bewegungen eines Schiffes an der freien Wasseroberfläche führt auf
eine nichtlineare, dreidimensionale Randwertaufgabe. Zur Behandlung dieser Randwertaufgabe sind wegen der Schwierigkeit der exakten Lösung verschiedene Näherungstheorien entwickelt worden, insbeson-dere die Streifenmethode (strip theory) und die Theorie schlanker Körper (slender body theory).
Die S t r e i f e n m e t h o d e wurde von Korvin-Kroukovsky
(1957) in die Schiffshydrodynamik eingeführt ('ursprüngliche Strei-fenmethode"). 1-herbei wird die Schiffsoberfläche gedanklich in
schmale Querstreifen aufgeteilt, und es werden die in diesen Strei-fen wirkenden Kräfte bestimmt. Bei der StreiStrei-fenmethode nimmt man an, daß sich die periodisch veränderlichen Umströmungen der
einzel-nen Querstreifen gegenseitig nicht beeinflussen, so daß das Problem
in jedem Streifen zweidimensional betrachtet werden darf.
Auf der Basis physikalischer und formaler Überlegungen hat Grim
(1957, 1960) Verbesserungen an der Theorie angebracht. Seine Schluß-folgerungen sind später von Newman (1964) mit der Theorie schlanker Schiffe bestätigt worden.
Obwohl die Streifenmethode nach Korvin-Kroukovsky nicht auf einer
mathematisch exakten Analyse beruht und die Kopplungskoeffizienten
in der Bewegungsgleichung die Symmetriebedingung von Timman und
Newman (1962) nicht erfüllen, stimmen die Vorhersagen nach dieser
Methode mit experimentellen Ergebnissen in vielen Fällen gut über-ein.
Salvesen, Tuck und Faltinsen (1970) haben die Streifenmethode dann explizit aus dem vollständigen, dreidimensionalen Randwertproblem
mit folgenden vereinfachenden Annahmen hergeleitet: Das Schiff
wird als schlanker Körper betrachtet, ferner wird davon ausgegangen, daß die Amplituden der Bewegungen klein im Vergleich zu den
Abmes-sungen der Querschnitte sind und daß de Frequenz der Tauch- und
Stampfbewegungen sehr hoch ist.
Unter diesen Voraussetzungen Ist die Länge der aus den Tauch- und
Stampfbewegungen entstehenden Wellen von derselben Größenordnung
Kurzfassung einer vom Fachbereich Verkehrswesen der Technischen
Universität Berlin genehmigten Dissertation (Berichter: Prof. Dr.-Ing. H. Nowacki, Prof. Dr.-Ing. E. Wolf)
Coppe/UFRJ - Coordcnaço dos Programas de Poís-Graduao em
wie die Schiffsbreite. Die dreidimensionale Randwertaufgabe kann
dann linearisiert und auf eine zweidimensionale Randwertaufgabe
zu-rückgeführt werden. Die gekoppelten Koeffizienten für das Tauchen und Stampfen, die dabei entstehen, erfüllen die Symmetriebedingung
von Timman und Newman (1962). Ähnliche Ergebnisse haben Söding (1969), Tasai und Takaki (1969) und Borodai und Netsvetayev (1969) erreicht.
Die heute in der Version von Salvesen, Tuck und Faltinsen - sowie entsprechend von den gerade erwähnten Autoren - vorliegende fenmethode wird in der Literatur mitunter als "modifizierte Strei-fenmethode" bezeichnet. Im folgenden wollen wir unter "Streifen-methode" immer diese Version verstehen.
In der Theorie s c h i a n k e r Körper wird durch das Verhält-nis Breite/Länge ein Parameter £ eingeführt. Mit einer
Störungs-methode wird dann eine asymtotische Lösung bestimmt, in der der
Störungsparameter - der Schlankheitsparameter - als klein voraus-gesetzt wird.
Auf der Basis der Theorie schlanker Körper, angewandt auf Schiffe,
haben Ogilvie und Tuck (1969) die Frequenz als hoch, die Bewegungen
als klein im Vergleich zur Schiffsbreite und die Froudesche Zahl als groß angenommen. Mit Hilfe der Annahme hoher Frequenz ist es mög-lich, das allgemeine Randwertproblem auf eine im Sinne der Störungs-theorie konsequente Weise auf die Streifenmethode zurückzuführen. Die Ergebnisse weichen von der Streifenmethode bei endlicher
Froudescher Zahl in den Kopplungsgiiedern durch ein Integrai über
die freie Oberfläche ab.
Die Theorie schlanker Schiffe und die Streifenmethode in
kartesi-schen Koordinaten setzen voraus, daß die Geschwindigkeitsänderungen
in Längsrichtung kleiner als die Änderungen in Querrichtung sind. Im Mittelteil eines langgestreckten Schiffes sind in der Tat die Geschwindigkeitsänderungen in Längsrichtung vernachlässigbar
gegen-über den Änderungen in der dazu senkrechten Ebene. Dies trifft an
den Enden nicht mehr zu, besonders, wenn das Schiff stumpf ist. Statt dessen wollen wir nunmehr annehmen, daß überall in unmittel-barer Nähe des Schiffes die Geschwindigkeitsänderungen parallel
zur Schiffsoberfläche klein sind im Vergleich zu den Änderungen in Richtung der Normalen zur Schiffsoberfläche. Durch geeignete Wahl
krummiiniger Koordinaten kann dann das dreidimensionale Problem
unter Umständen auch bis weit zu den Enden hin mit guter Genauig-keit auf ein zweidimensionales Problem zurückgeführt werden.
In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß der Wahl von
Ellipsoid-koordinaten auf die hydrodynamischen Kraftkoeffizienten in der
Be-wegungsgieichung eines Schiffes untersucht, das Tauch- und Stampf-bewegungen ausföhrt. Wir benutzen im folgenden den Ausdruck Sphäro-idkoordinaten. Darunter sind Ellipsoidkoordinaten zu verstehen,
die Sphäroide (worunter wir hier - wie insbesondere im Englischen
üblich - langgestreckte Rotations-Ellipsoide verstehen wollen) als eine ihrer Koordinatenflächen erzeugen.
Sphäroidkoordinaten werden in der vorliegenden Untersuchung deshalb gewählt, weil sie besser als kartesische Koordinaten die Aussicht bieten, daß die Näherungsannahme relativ kleiner Geschwindigkei.ts-änderungen von Streifen zu Streifen bis weit an die Körperenden
heran zutrifft.
-2. Die Randwertaufgabe eines tauchenden und stampfenden Körpers an der freien Oberfläche mit konstanter Fortschrittsgeschwindigkeit Für die Darstellung der Randwertaufgabe führt man folgende verschie-dene Koordinatensysteme ein, die sich mit konstanter Geschwindig-keit U bewegen;
- kartesische Koordinaten (x, y, z), mit z = O in der glatten Was-seroberfläche und der positiven z-Achse nach oben zeigend,
- Sphäroidkoordinaten ( , , ) , wobei die Koordinatenflächen sind: einmal die von dér x-Achse ausgehenden Halbebenen ( e = konst.), dann die zweischaligen Hyperboloide, deren Symmetrie-achse die x-Achse ist (j.c= konst.) und die Sphäroide (langge-streckte Rotationsellipsoide) , deren große Achse die x-Achse Ist
= konst.) . F und F' sind die Brennpunkte der Sphäroide und Hyperboloide und 2 ihr Abstand voneinander (s. Abb. 1). Ferner
gilt - i j.. 1, - í< G il und Z > O. Für = O wird die
Koordinatenfläche = konst. auf die Strecke zwischen den Brenn-punkten zurückgeführt. Das Schiff wird mit konstanter Geschwindig-keit U in Richtung der negativen x-Achse angeströmt (s. Abb. 2). - Es Ist manchmal zweckmäßiger, mit den Zylinderkoordinaten (x, r,
9
zu arbeiten (Abb. 1). Außerdem definiert man ein schiffsfestes, rechtshändiges Koordinatensystem (x', y', z') In derSchiffs-ruhelage stimmen die Koordinatensysteme (x, y, z) und (x' , y',
z') überein und liegen die entsprechenden Ursprünge O und O' in der Schíffsmitte.
Zwischen diesen Systemen bestehen folgende Beziehungen:
X =
1t2
y = r sinO z = -r siner =
=T
=1+1
j r ( (rZ4 x2) 4J(i
4 ii t
-
-p 1J 1M i1-
rA (+xL)1
_Z\Z
4r
1 /Tz JJ
= arc tg (-h)Wir betrachten nun die unter Wirkung der Schwerkraft stattfindenden
wirbeifreien Bewegungen einer homogenen, inkompressiblen und idea-_., len Flüssigkeit. Unter diesen Annahmen kann die Geschwindigkeit V durch eine harmonische Potentialfunktion dargestellt werden, so daß = Ist, und es gilt in der Flüssigkeit (nach der Kontinuitäts-gleichung) die Laplacesche Gleichung in folgender Form:
+1
L
= o
Es sei
wobei
- Störungspotential,
Li - Strömungsgeschwindigkeit in Richtung x für x =
-00,
LI)1-- Störungspotential der stationären Bewegung infolge der Anwesenheit des Schiffes,
L9 - Störungspotentiai durch die oszillierenden Bewegungen
des Schiffes.
lije von dem Störpotent ial (f zu erfüllende Randbedingung auf der Schiffsoberfläche ist nach Timman und Newman (1962):
= +
x(Ç
(.J7))] +O(e)
(4)wo r i n
=
V()
n = innere Normale, von der Flüssigkeit in den Körper weisend,
R(t)
()ist der Ortsvektor eines Punktes auf der Schiffsoberfläche in bezug auf das Koordinatensystem (x', y', z'),
ist der Ortsvektor eines Punktes auf der Schiffsoberflache in
bezug auf das in der freien Wasseroberfläche befestigte
Koordinaten-system (x, y, z) (s. Abb. 2).
Gleichung (4) bezieht sich auf die Mittellage des Schiffes. Ferner
werden die Bewegungen als klein gegenüber der Schiffsbreite voraus-gesetzt.
Sei
st = U (x + '1 das Potential der Strömungshewegung in der Rich tung der x-Achse um das Schiff bei reiner Fortschrittsbewegung. Dami
gilt auf der Schiffsoberfläche.
Daraus folgt
/=_X/aM
= - cos(n,x) auf der Schiffsoberfläche.Das erste Glied auf der rechten Seite ì (4) stellt die Randbedin-gung der rein oszillierenden BeweRandbedin-gung dar, das zweite Glied in der eckigen Klammer den Einfluß der Fortschrittsbewegung auf das Potential.
In dem Fall eines Körpers, der taucht und stampft, ist
' - Ç (5)
wobei
Schiffstechnik Bd. 28 - 1981 178
-_>
j und k die Einheitsvektoren in Richtung y bzw. z.
Durch Einsetzen von (5) in (4) folgt
(x ')]
- x [( x ) x y . O (
) (6)
Da in der Mittellage = R ist, wurde in (6) i' durch ersetzt.
Man definiert jetzt m3 und m5 (siehe Ogilvie und Tuck (1969))
[('.)].z [x(>x c')]
. (7a)(7b) und m5 beziehen sich auf die Änderungen des Vektors V auf der Schiffsoberfläche.
Setzen wir (7) in (6) ein, so folgt
-- ± U
(e)
(8)auf der Schiffsoberfläche, worin
-'43
und i-).('
Z) = - ( xT)
. sind.Es wird angenommen, daß
A M = o ist. Dann kann man die Bernoullische Gleichung wie folgt schreien:
+ +
I
= - UJ(9)
Es sei
¿-
) -(p
(&) (10)die Gleichung der freien Oberfläche, wobei
die Erhebung infolge der stationären Bewegung und
o(die Erhebung infolge der oszillierenden Bewegung des Körpers sind.
Daraus folgt:
und die Verschiebung in Richtung z (positiv nach oben)
bzw. die Rotation um die y-Achse (positiv = Bug nach oben) sind,
z +
)Z(
--FJ--)Z7 U It
2
H1a)
e J2
wobei R. H k- =¿ (
z
( ± +¡
2 2-4
1(2 (4_)
1/-H
-(
i ¿) 4 'z(1»2)
/
und stellen auch die Beziehungen zwischen dem Linienelement cLs. entlang einer Koordinatenlinie a. und dem Koordinaten differential
dar:
xz
t
yz d2
()Z(
J1)
H &13rt
Schiffsechnik Bd. 28 1981 - 180 -/ 3 I k-/der Lamsche Koeffizient der Koordinaten ist:
r
d-an der freien Oberfläche.
Mit Hilfe der Taylorschen Reihe
F=
+
+9- 2. e_(,/..
kann die Erfüllung der Randhedingung auf z - ( f + ) = O auf die
Erfüllung der Randbedingung an der Fläche z = O zurückgeführt
wer-den; z = O bedeutet O = ±'1/2, aber wegen der Symmetrie wird die
Randbedingung nur für O = (/2 abgeleitet. Es wird angenommen, daß = O und ¿ = O sind; die Verschiebung ist dann entlang einer -Linie, so daß
F =
F
9 +!
+ ...
.2
ist, worin
L=
und, zö-
sind.Damit folgt aus der Taylorschen Reihe
F F
(12) Da 0L und von kleiner Ordnung gegenüber i sind, wie man beweisen
kann, genügt es, die ersten beiden Glieder der Taylorschen Reihe zu berücksichtigen.
Durch Einsetzen von (12) und (3) in Eli) folgt für die dynamische Randbedingung folgender Ausdruck:
+
{
\U4'
f -+[4
(u+ +u)
__
3J9
) u
+u)
.L i v?i
(«TL/)
/ +(u)
33 39 ¿' 4L
+ do1M14
eJi)
(u)
Dtt J
ae
I ç
i
An der freien Oberfläche
F1
(3)
-muß die kinematische Randbedingung
Dt
erfüllt werden. Das bedeutet
fr
Die Ableitung D/Dt z = stellt genau die Komponente der Gesc digkeit der Flüssigkeit in Richtung z dar, die gleich der Abi tung der Potentialfunktion nach z ist.
W O
f(LJ
u)
j /4 çp 1' Ø d O S =t4c
o A tA J1t4 4 Schiffstechnik Ed. 28 - 1981 182-o
IL
)c7c=o
hwin-ei-Setzt man (17) in (16) ein, erhält man
-
V=O
(19)auf F = O.
Mit Hilfe der Taylorschen Reihe (12) läßt sich die Randbedingung
in der Ebene z = O ausdrücken. Wenn man jedes Glied von (19) nach
(12) entwickelt, d.h.: \ \
¿
-erhält mant
j G?2 __;u+3u:
e 2ut)
e[u
-3-
uae
+u1
-
/V4+
I&).
-
fJuVu}.
If)
/2 :1j .à9
eY
ò9à&
(2oa)(2oD)
(2oc)
(2od)
í1 ao I a &5;,;e
(4f)(
u)}
(t)
v.
} =
o
d9 I
(21)
Die Ansätze liefern erst eine eindeutige Lösung, wenn noch eine Be-dingung im Unendlichen berücksichtigt wird.
3. Berücksichtigung der Schlankheitsbedingung, die Randwertaufgahe im Nahfeld
Um die Randwertaufgabe im Nahfeld zu bestimmen, führt man einige
vereinfachende Annahmen ein. Dadurch kann man die Randwertaufgabe im
Nahfeld, mit £ > darstellen.
Die Schiffsbreite sei klein im Vergleich zur Schiffslänge, und
zwar so, daß die Schiffsquerschnitte in Längsrichtung keine starken Änderungen erleideî.
- oder I
i O (e). Venn E -, O, dann B/L ,O und
O
Die Amplitude der Bewegungen sei klein im Vergleich zur Schiffs-breite. Man definiert einen Parameter für dieses Verhältnis
und fordert gleichzeitig, daß die Schwingungsbewegung immer klein
bleibt, auch wenn E endlich ist
Die Länge der durch die oszillierende Bewegung erzeugten Wellen
sei von derselben Ordnung wie die Schiffsbreite. Solche kurzen
Wellen werden bei hoher Frequenz erzeugt und breiten sich vom
Schiff in Querrichtung aus. Man nimmt an, daß O
Die Froudesche Zahl F =
U/f
sei von der Ordnung i im Vergleichzu E.
Unter diesen Annahmen betrachtet man in diesem Kapitel die
Beschrei-bung des Problems im Nahfeld. Es ist üblich, um einen Einblick in
die Randwertaufgabe im Nahfeld zu gewinnen, daß der Raum (, ,, , 9 )
bei z = o
(e.) , durch Einführung einer neuen Koordinate "vergrößert
wird:
3 = , wo = 0 (1) ist.
Das Randwertproblem wird dann in den Koordinaten (, fi, ) beschrie
ben. Diese Beschreibung bezweckt, Breite und Tiefgang endlich, d.h. von der gleichen Ordnung wie ç zu machen (Koordinatenstreckung)
die Ausstrahlungsbedingung verliert ihre Bedeutung. Ferner erhält ma
-so daß
Q(E)
gilt.
(23)
Laplacesche Gleichung im Nahfeld
Mit (23) kann man dann aus der allgemeinen dreidimensionalen
Rand-wertaufgabe die Beschreibung des Problems im Nahfeld herleiten,
in-dem man die Glieder höherer Ordnung vernachlässigt. Hiermit folgt für das Nahfeld aus der Laplaceschen Gleichung (2)
i
î.
i
'1o
+ L
(24)
o) o(E)
o(E
¿)o((4/)
In dem Bereich, wo i
-
/4-=
O( ) mit '> O ist, kann man dasletzte Glied in (24) gegenüber den anderen vernachlässigen, und (24) nimmt die Form einer zweidimensionalen Laplaceschen Gleichung an:
._4)
(22)
(25)
An den Schiffsenden, wo
i =O(e) ist, müßte das letzte Glied
von (24) berücksichtigt werden. Obwohl dies nicht
ganz konsequent
ist, nimmt man dennoch an, daß (25) auch an den Enden gilt. Die Be-schreibung der Strömung, die daraus folgt, ist wahrscheinlich
dennoch besser als diejenige mit kartesischen Koordinaten. Die Randbedingung auf der Schiffsoberfläche
Gleichung (8) stellt die Randbedingung auf der Schiffsoberfläche in der Mittellage dar.
3
f
s+
o ()
(8)
worin-,
1----
(_ :!_ .Z +f
-_J?I /
(4
+ (f 4
z c)tAist, und 5 = h0
(pt, 9) -
= O die Schiffsoberfläche in der Ruhe-lage darstellt. /Damit die Randbedingung auf der Schiffsoberfläche durch die Geschwin-digkeitskomponente in einer Ebene tangential zu einer Fläch,e
»-= konst dargestellt wird, ist es zweckmäßiger, einen Vektor zu defi-nieren, so daß
ist. Nist tangential zu einer Fläche = konst.
Durch Einsetzen von (26) in (8) und unter Verwendung von N anstelle von 'ergibt sich folgende Randbedingung auf der Schiffsoberfläche:
t5
) +o(e)
(27)
orin
='.'
n=(x)
T
m'- (V)'}.k'
m={(i'
. )(RxT)}.T
Über die Annahme a, b, c und d bestimmt man die Ordnung von (27).(Eingehendere Hinweise findet man in Sphaier (1976)):
= 0(1) (n von der Ordnung 1)
- Q.
pt n = O(i)
m = O(i)
m-
m-nL=O(1)
Ferner gilt für die Ableitung in Richtung N im Nahfeld
&(
)
o()=
(1)
(28)Damit folgt
+ u
+-(29)
o(fg)
o(E4)
6)
die erste und zweite Näherung für das Potential '
müssen
daher vonder O( E3/z ) und O( ) sein:
_i -;}y-
--'z
-i ; 9Randbedingung an der freien Oberfläche
Gleichung (13) und (21) stellen die kinematische und dynamische Randbedingung in der Ebene z = O. dar. Für die Ableitung der
Randbe-dingung, die das Potential tp in der Ebene z = O erfüllen muß, muß
man erst von (13) und (21) die entsprechenden Randbedingungen ab-ziehen, dann den Ausdruck von ¡3 (aus der Behandlung der statio-nären Bewegung) und den aus der dynamischen Randbedingung
resultie-renden Ausdruck für ¡3 in die aus (21) resultierende kinematische
Randbedingung einführen und endlich die Annahmen a, b, c und d ein-führen. Unter Vernachlässigung von Gliedern höherer Ordnung bestimm
(26)
(30)
-man die Randbedingung, die das Potential in der Ebene z = O er-Füllen muß: 4 4 4
U21
(Uu±.
I - L (31)o(E1)
z
(4-)
Eingehende Hinweise über die Behandlung des Potentials der statio-nären Bewegung und über die Ableitung von (31) findet man in
;_w
2=_
i{Z1t
g
j
g(1
y
++ 2(1 jt 2 ) auf z = O (35c)
frt
Das Potential ')l' der stationären Bewegung des Schiffes erfüllt die
Randbedingung auf der Schiffsoberfläche in der ungestörten Lage. Bei der oszillierenden Bewegung müßte das Potentia1 eine
Randbe-fk
Sphaier (1976).
Die hier dargestellte Randwertaufgabe enthält Glieder bis zur zwei-ten Ordnung. Es ist dann zweckmäßig, das Pozwei-tential O in drei ver-5chiedenen Potentiale aufzuteilen (s. Ogilvie und Tuck (1969)):
= f -
w
U . . &) / ç (32) J ci obei= O in der Flüssigkeit (33a)
=
n'
auf der Schiffsoberfläche(33b)
= O auf z = O (33c)
4_I1
= O in der Flüssigkeit (34a)
= m auf der Schiffsoberfläche (34b)
- = O
au f z = O (34c)
_frta g
j
= O in der Flüssigkeit (35a)
&w.
dingung auf einer von der Zeit abhängigen Oberfläche erfüllen. Das macht eine Korrektur erforderlich. Die Randbedingung, die dieses
Korrekturpotential erfüllen muß, läßt sich durch m und m in (27) ausdrücken, wodurch die gegenseitige Beeinflussung beider Bewegun-gen in Erscheinung tritt. Das Potential in (32) stellt gerade diese Wechselwirkung dar, indem es die Randbedingung (34b) erfüllt. In der Ebene z = O erfüllt das Potential die homogene Randbedingung
(34 c)
Bei der stationären Fortschrittsbewegung ist die freie Oberfläche anders als die durch Superposition der beiden Bewegungen resultie-rende freie Oberfläche, an der die entsprechende dynamische und kinematische Randbedingung angesetzt werden. Das Potential
er-füllt die Randbedingung nicht an der freien Oberfläche
2 +
sondern an der Fläche =
( ( i
die die freie Oberfläche bei der stationären Fortschrittsbewegung
ohne Schwingung darstellt, so daß eine Korrektur erforderlich ist.
Diese Korrektur wird durch die Potentiale Vsi ausgedrückt.
Um die vollständige Randwertaufgabe aufstellen zu können, müssen die asymptotischen Randbedingungen der Potentiale 4' , 'X und
im Nahfeld für großes dargestellt werden (äußere Entwicklung
des Nahfeldpotentials). Diese Bedingungen werden durch Anpassung (matching) von Fernfeldpotential und Nahfeldpotential geliefert.
Durch Analyse der Randwertaufgabe und unter einigen Annahmen
las-sen sich asymptotische Entwicklungen für
4'
, ')( und aufstellen. Die Rechtfertigung dieser Entwicklungen wird durchdie Arassung
vollzogen. Bei und bei ' handelt es sich um ähnliche Probleme: Auf der Schiffsoberfläche werden der Flüssigkeit Geschwindigkeiten übertragen, und in der Ebene z = O muß eine linearisierte Randbe-dingung erfüllt werden. An der freien Oberfläche entstehen Wellen, die Energie abtransportieren. Da die Flüssigkeit zähigkeitsfrei ist, wird diese Energie mit den Wellen bis weit von dem Schiffent-fernt abtransportiert. Um diesen physikalischen Vorgang darzustel-len, wird angenommen, daß sich für großes fortschreitende Wellen
ergeben. Man nimmt daher an, daß die äußeren Entwicklungen von
und von der folgenden Form sind:
-i- 9) t
(jo)
J&)'-v a_L1)
- e- (35a)(L4 t
LJ
(35b)
Bei der Lösung für das Potential '/SJ wird das Problem komplizierter.
An der freien Oberfläche muß eine inhomogene Randbedingung erfüllt werden, die das Problem sehr kompliziert.
-Nach der Theorie schlanker Körper in kartesischen Koordinaten haben Ogilvie und Tuck (1969) eine der hier abgeleiteten
Randwertaufga-ben ähnliche Randwertaufgabe für die Bestimmung von erhalten.
Wenn man sich auf die Ogilvie-Tucksche Analyse stützt, erhält man
folgende asymptotische Entwicklung (Sphaier (1976)):
JZUidi.dfv .Ç4t) e
3 ô)
o £ e¿j)
-ue1 V1'(t4t)
t
J
4. Das Potential im Fernfeld, seine innere Entwicklung und die ent-sprechende Anpassung an das Nahfeld
Für die Darstellung der Randwertaufgabe im Fernfeld nimmt man an,
daß
o() und
1c (/,
) = o(e) (Gleichung derSchiffs-oberfläche). Man strebt die Bestimmung einer asymptotischen Lösung
für L o an. Wenn aber ¿ - o , wird - und das Schiff auf
eine Linie zurückgeführt. Die Randbedingung auf der Schiffsober-fläche verliert vom Fernfcld aus betrachtet ihre Bedeutung. Das Potential muß folgende Bedingungen erfüllen:
auf der freien Oberfläche
- - und
bt
(38) f
Q
Man setzt (3) in der kinematischen und in der dynamischen Randbe-dingung (38) ein, zieht die Ausdrücke der entsprechenden BeRandbe-dingung für das Potential der stationären Bewegung davon ab und kombiniert
für
e ,t
(57)
für o
Mit (35) und (36) und unter Vernachlässigkung von Gliedern ah Ord-nung
Q(zj)
erhält man für das Gesamtpotential die asymptotische äußere Entwicklung:wobei
ten dier Bewegungsgleichung
SchiffsechnikBd.28-1981 190
-Das ist d:ic innere Entwicklung des Potentials im Fernfeld für
- O ( ) . Sie niuß der äußeren Entwicklung des Potentials im
Nahfeld angepaßt werden. Die innere Entwicklung des Fernfeldes
(41) und die äußere Entwicklung des Nahfeldes (37) müssen identisch sein. Mit
=
j--411t
ist die geforderte Anpassung erfolgt.
5. berechnung der hydrodynamischen Kräfte und Momente -
Koeffizien-Um die hydrodynamischen vertikalen Kräfte und die Stampfmomente zu berechnen, die auf das Schiff wirken, bestimmt man zuerst den Druck
dann die resultierenden Gleichungen. Nach Linearisierung erhält
man im Fernfeld die Randbedingung, die das Potential auf der Ebene
z = 0 erfüllen muß:
Die gesuchte Lösung für das Potential im Fernfeld ist dann
(s. Ogilvie und Tuck (1969)).
(k2
-(40)
w ori n
z
dic Fourier-Transformation der Queliverteilung Gb) ist.
Aus dieser Lösung kann man folgende asymptotische Entwicklung in
Sphäroidkoordinaten für
o () bestimmen:
( 9
(41)
auf der Schiffsoberfläche aus dem Potential des Nahfeldproblems. Der Druck wird mit den Richtungskosinus n3 bzw. n5 multipliziert und dann entlang des Schiffes integriert.
Infolge der periodischen Bewegung ändert sich der Druck mit der Zeit. Mit Hilfe der Taylorschen Reihe kann man den Druck in bezug auf die Ruhelage des Schiffes entwickeln.
( (t)) =
(;')
¿(t)
+( ) + - (t)
){r+
(42)
wobei der Ortsvektor eines Punktes auf der Schiffsoberfläche
in bezug auf die Mittellage Ist.
Nach der Bernoullischen Gleichung gilt
r a ¿
(u).
IvIL3
¿L
)Wenn man (43) in (44) einsetzt und die zeitabhängigen Glieder höhe-rer Ordnung bis
O (2E3)
beibehält, erhält man den hydrodynami-schen :eitabhängigen Druck'k
-
(Ux+U).
(23)
j) 3t
Durch Integration dieser Druckverteilung über die Schiffsoberfläche erhält man die Vertikaikräfte
( und die
Stampfmomen-te (C5)
(45)
Nach Ogilvie und Tuck (1969)
1 ()=
(46)so 30
worin C
die Wasserlinienkontur bedeutet und Vc7(x)
.Ange-nommen, daß in Höhe der Schwimmwasserlinie die Schiffsoherfläche
senkrecht zur Ebene z = O steht, ist o/3e
=
O . Darausfolgt
't
o und für den Sonderfall der Tauch- undJ()d-so
[orner folgt aus (46)
F.
-f
) -fuc
}?'1;
su
(47)
Wenn man (32) in (47) einsetzt und Glieder höherer Ordnung kleiner
als
Q ( E) vernachlässigt, ergibt sich:
= -
f(Lw)Z[
±E
j -
k
d(48) so
Man führt folgende Abkürzungen ein
__(o)
-
(o) =-f
()
Jí-
f(U
T s',f(LU î'
-Schiffstechnik Bd. 28 - 1981 192-Daraus folgt:
F(t
T .L)
wobei(4)
-_()
1k + -j-- I4
1)ns Flächenelement d S ist (s. Sokolnikoff (1967))
)
;-_'-
,
1r&
;8
j IAuf der Schiffsoherfläche
o(t)
C(49a)
(4 9b)
bestimmt man und damit
cs
II
Z i1_
Hr'
H
Aus der Schlankheitsannahme folgt
worin d
und d8
die Linienelemente entlang der - bzw. 9-Linien sind.
Aus (51) ergibt sich entlang einer Linie C(0) , wobei
/4
= konst,auf der Schiffsoberfläche d
=k,()/'g. Mit der
Schlank-heitsannahme folgt aus (53)
auf der Schiffsoberfläche. Setzt man diesen Ausdruck, Gl. (53), in (49a) ein, erhält man
'1
I o)
f
r.
ff
Da 4E'
-
/-ist, folgt aus (56):
=
f
3 = c.(0) (53) (54) (SS) (56) so daß¿()
td
(52)Entlang des Schnittes
c0)
, den die Fläche ,frt= konst mit dem Schiff bildet, erhält man nach dem Satz von Pythagoras folgenden Ausdruck für das Linienelement ds4,
}LAJ'1 (o)
y(o)
(
-
j_l"J
(o) J d1 + 4) -1worin die Koeffizienten a und b
33 .1.)
+
f
p d sc s0)
eingeführt wurden.
Ferner folgt aus (49b) und (49c)
1.
1)
-1
c0)
'
-wobei
a auf der Schiffsoberfläche.Um die Integrale .-L und bestimmen zu können, müßte man
die Randwertaufgaben (34) und (35) lösen, da sie die Potentiale zweiter Ordnung 'Xj
und W
enthalten. Sie hängen aber über die Randbedingungen von dem Potential erster Ordnung ab. Mit Hilfe des Greenschen Satzes entwickelt man die Integration der Potentialeund VJ über die Ebene z = O, entlang c(íf.Oj , und einen
Kreis
c(S)
weit von dem Körper entfernt (s. Abb. 3), so daßf
s(
.-')= -
-
(59)
J J . a a4t J
c2(f O.)
mit
bzw.
Durch Einsetzen der Randbedingungen auf der freien Oberfläche und
der asymjotischen Eitwicklung von , W.
, und ' in (59)
können I und in Abhängigkeit von alleirn dem Potential
erster Ordnung ausgedrückt werden. Hier werden sie nur durch die Ergebnisse gezeigt: 4) (4) 133 =
:O
(,
(4) (4)-
f3
3I
-()
(2) _-
1ç3
(57b) (5 7c) Schiffstechnik Bd. 28 1981 - 194 -(57 d) (58)wobei
und
Damit folgt aus (48)
4 Do
,dd-() [3
_3
'I L -1die Gleichung der Schiffswasserlinie.
[(4)
rL
]j3s
'1 -_14 (60) Für¿3
À33 3 -3 -
A3 335 Für < ,4ç5 -- 4ç3
s wobei3
3 z D343
+ 133I4[U
"I
3 -4 35 B35-
A3i [U
1denjenigen in kartesischen Koordinaten unterscheiden. Bei der
Ent-wicklung von
I
und I
sind auch verschiedeneIntegra-tionswege und verschiedene Ableitungen benutzt worden. Die hydro-dynamischen Koeffizienten der Bewegungsgleichungen haben aber in beiden Koordinatensystenien dieselbe Form. Infolge der verschiede-nen Konturen der Streifen, die durch die verschiedeverschiede-nen
Koordinaten-systeme erzeugt werden, werden jedoch bei Schiffen beliebiger Form unterschiedliche Randbedingungen an der Schiffsoberfläche definiert.
Ferner werden bei der Schlankheitsannahme verschiedene Näherungen für das Flächenelement und weitere geometrische Größen eingeführt. In kartesische Koordinaten (KK) wird das Flächenelement dadurch
dar-gestellt (Newman (1962)), daß cLS4= r-cO cLx d_ ist. Die
Li-nienelemente k&. und unterscheiden sich durch die verschie-denen Schnitte, die auf den Schiffsoberflächen definiert werden. In Längsrichtung sind
eJ
k k
Für einen Rotationskörper
(: o(-)
,= r(') )
werden sowohl durchSchnitte mit der Ebene x = konst als auch mit den Ilyperboloiden ,u-=
konst auf der Körperoberfläche Kreise erzeugt. Die Linienelemente en lang eines Schnittes C ( ) sind in beiden Koordinatensys temen
gleich.
cL6 = =
Zwischen den Linienelementen in Längsrichtung erhält man folgende Beziehung: - (x) )dx
(61)
A41 cLf
oder k01 wobei2'
zd
-/
Im Fall eines Sphäroids, = = konst, ist
k
(-)
Ferner muß darauf hingewiesen werden, daß im Fall eines Rotations-körpers sowohl in Sphäroidkoordinaten als auch in kartesischen
Koor-dinaten die bei de_r Theorie schlanker Körper sich ergebenden Rand-wertaufgaben für 4 äquivalent sind. Es handelt sich hierbei um
einen Kreis, der an der freien Oberfläche Tauchschwingungen ausführt Die Potentialfunktion, die die Flüssigkeitsteilchenbewegung beschrei muß in beiden Fällen die linearisierte Randbedingung in der Ebene
z = O erfüllen und derselben Körperbedingung genügen.
-I' =
5
a
555 J355-ìi
t
l3Re [
f
A= -
f
worinA33 und B33 die Koeffizienten der hydrodynamischen Masse und Dämpfung beim Tauchen
A55 und B55 die Koeffizienten der hydrodynamischen Masse und Dämpfung beim Stampfen.
A, und B- bzw. A und B
53 53
die Kopplungs-Koeffizienten der hydrodynamischen Masse und Dämpfung des Stampfens und Tauchens sind. Sie er-füllen die Symmetriebedingungen von Trimman und
Newman C1962).
6. Vergleich der Theorie schlanker Körper in kartesischen Koordi-baten und in 5pharoidkoordinaten
Durch die Anwendung der Theorie schlanker Körper in Sphäroidkoordi-naten ist die dreidimensionale Randwertaufgabe auf viele zweidi-mensionalen Ranciwertaufgaben zurückgeführt worden, die sich von
(1
ct -1 Ii -Ç (7'-) -2.L
2.ck2)
kk L
Schiffstechnik Bd. 28 1981 198-Obwohl die Defjnitjonsberejche des Problems für beide Koordinaten-Systeme verschieden sind, gibt es einen funktionellen
Zusammen-hang zwischen beiden Potentialfunktionen, so daß (A
(4)
ist, wo 4 und A
in Abb. 4 gezeigt werden.Nach der Theorie schlanker Körper enthalten die
Kopplungskoeffizien-ten ein geschwindigkeitsabhängiges Integraiglied Ç (das
Ogil-vie - Tucksche Integral), das in der Streifenmethode nicht auftritt:
-f-- e4-1
3]
((2)
-
L. 3 00 Jo _2CU s,+f [(xo)-a
\)0(LJ')worin KK, SK kartesische Koordinaten bzw. Sphäroidkoordinaten be-deuten und -Ç (j....)
,
' (Ix') die Gleichungen der Wasserlinie in
Sphäroidkoordinaten bzw. kartesischen Koordinaten sind.
In diesen Ausdrücken sind die Integrale I
-- -
und Jentlang verschiedener Strecken definiert. Sie liefern aber die glei-chen numerisglei-chen Ergebnisse,da die integranden gleich sind:
(A j
=(ost)
4 ('
j
¡(o
ç Abb. 4)(z)'
entlangDurch die Beziehung - d,1- dx tritt aber ein Unterschied auf.
Bei einem Sphäroid .' = konst hängen die Beziehungen zwischen
den Ergebnissen für die Theorie schlanker Körper in Sphäroidkoordina-ten und in kartesischen KoordinaSphäroidkoordina-ten nur von l-- .
ab:
_4 /z A J
(+
) i kk -3'a(1
I( (<k (1 zk
ß3l
= 33 I K K -k0 :) 13ç A7. Numerische Ergebnisse und Schlußfolgerungen
Die Koeffizienten der hydrodynamischen Kräfte sind für ein tauchen-des und stampfentauchen-des Sphäroid (mit L/B = 4,0) an der freien Ober-fläche mit Fortschrittsgeschwindigkeit Null ausgewertet worden. Für diesen Fall ist eine dreidimensionale Lösung (W.D. Kim (1965)) be-kannt. Kim hat eine Quellbelegung auf der Schiffsoberfläche
zugrun-degelegt und das linearisierte dreidimensionale Problem numerisch gelöst. Die Werte dieser Koeffizienten sind mit der Theorie schlan-ker Körper auf der Grundlage kartesischer Koordinaten und Sphäroid-koordinaten ausgerechnet und in Abb. 5, 6, 7 und 8 aufgetragen
wor-den.
Außerdem sind auch die Werte der Koeffizienten nach Kim (1965) auf-getragen worden. Infolge der Symmetrie des Körpers sind die Kopplungs-glieder gleich Null.
Die Koeffizienten nach Kim sind für den Bereich hoher Frequenzen nicht ausgewertet worden, aber die Tendenz der Kurven zeigt, daß mit zunehmender Frequenz der Unterschied zwischen den Ergebnissen nach Kim und den hier ermittelten Näherungslösungen kleiner wird. Die Tendenz in den Dämpfungskoeffizienten bestätigt, daß die Theo-rie schlanker Schiffe für den Bereich hoher Frequenzen geeignet ist. Bei hoher Frequenz entstehen kurze Wellen, die sich senkrecht zur Längsachse fortpflanzen. Daher ist die gegenseitige Beeinflus-sung zwischen den Streifen klein. Deshalb zeigt die Tendenz der Kurven gute Übereinstimmung zwischen Näherungs- und dreidimensio-naler Lösung.
Für unendlich große Frequenz muß das Potential an der freien Ober-fläche gleich Null sein. Das entspricht genau der Randbedingung für einen symmetrischen, tief getauchten Körper, wofür die exakte Lösung bekannt ist. Wenn man für diesen Fall die Näherungslösung in karte-sischen Koordinaten und Sphäroidkoordinaten vergleicht, stellt man fest, daß
Der Verlauf der Kurve der dreidimensionalen Lösung muß bei zunehmen-der Frequenz dem Wert für unendlich hohe Frequenz sich asymptotisch nähern und bei hoher Frequenz unterhalb der beiden anderen Kurven-verläufe liegen. In dem Frequenzbereich, wo die Theorie schlanker Körper mit Erfolg anwendbar ist (hohe Frequenz), dürfte die
Näherungs-theorie in Sphäroidkoordinaten die Massen und Momente besser erfas-sen als die kartesische Näherung.
In Abb. 6 und 8 liegen die Werte der Dämpfungskoeffizienten und
1355
nach der dreidimensionalen Theorie unter den Werten nach den verschiedenen Näherungstheorien. Da sich die Dämpfungsenergie nach einer zweidimensionalen Theorie relativ größer als nach einer drei-dimensionalen Theorie ergibt, müssen die Werte der
Dämpfungs-koeffizienten nach der dreidimensionalen Theorie kleiner als die Werte nach den Näherungstheorien bleiben. Daß die Theorie schlanker Körper in Sphäroidkoordinaten kleinere Werte als die Theorie in kar-tesischen Koordinaten liefert, zeigt, daß die Theorie in
Sphäroid-koordinaten auch hier zu verbesserten Ergebnissen führt.
Für einen bezüglich des Hauptspants asymmetrischen Rotationskörper (s. Tabelle 1) (L/B = ,O) sind die Koeffizienten der Bewegungs-gleichungen für verschiedene Werte der Froudeschen Zahl ausge-rechnet worden. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse nach der Theorie schlanker Schiffe auf der Grundlage von Sphäroid- und kartesischen Koordinaten. Man kann hieran für diese Körperform feststellen, daß der Unterschied zwischen den Ergebnissen nach der Theorie schlanker Körper in Sphäroid- und in kartesischen Koordinaten unter 2,5 %
bleibt. Insbesondere bei A-.._ und B_ ist die Differenz kleiner als
i q
U.
Die Abbildungen 9 bis 13 zeigen die hydrodynamischen Koeffizienten nach der Theorie schlanker Körper und der Streifenmethode. Abb. 14
zeigt den Einfluß des Ogilvie-Tuckschen Integrals auf die Kopplungs-koeffizienten. Dieses Glied wird in der Streifenmethode vernachläs-sigt. Der Beitrag des Ogilvie-Tuckschen Integrals ist für alle
un-tersuchten Frequenzen nicht vernachlässigbar. Bei ' =
L/
zwischen 4,0 und 5,0 ist der Beitrag dieses Integrals zu B35 und B53 sehr klein, aber zu A3 und i\53 so groß wie(U/L)B33. Bei kleineren Frequenzen nimmt sein influß auf A35 und A53 ab, aber auf B35 und
B5_ zu. Ferner ist der Phasenwinkel eine Funktion der
Fre-qunz. Die Abbildungen 12 und 13 lassen die Rolle dieses Integrals
bei der Bestimmung der Kopplungskoeffizienten erkennen.
Die Verbesserung in den hydrodynamischen Koeffizienten der Bewegungs-gleichungen sind zwar absolut klein, jedoch war dies - zumindest im Bereich hoher Frequenz und für recht schlanke Körperenden - auch
nicht anders zu erwarten, da hier die kartesische Streifenmethode bekanntlich bereits sehr zuverlässige, mit Messungen gut
übereinstim-mende Ergebnisse liefert.
Es ist ein Koeffizient , der das Verhältnis zwischen den
ver-schiedenen Näherungen des Flächenelements in Sphäroid - und in kar-tesischen Koordinaten angibt, eingeführt worden. Für einen
Rotations-körper ist ,-/dv(Gl.4 61) und insbesondere für ein Sphäroid
k.0 ( 'J + . Bei einem Schiff mit hohem
Block-koeffizienten ähneln die Enden jedoch nicht einem Sphäroid, dessen
Verhältnis L/B gleich dem des Schiffes ist, sondern stumpferen
Sphä-roiden. In diesem Fall zeigt der Faktor (Abb. 15), daß der
Unterschied zwischen den Ergebnissen aus der Theorie schlanker Schif-fe in Sphäroidkoordinaten und in kartesischen Koordinaten erheblich sein kann. Bei einem Sphäroid mit L/B = 2,50 erhält man z.B.
k
= 0,917. Diese Unterschiede sind u.a. für die Bestimmung des Biegemo-ments im lIauptspant von Bedeutung, da die Kräfte an den Enden mitgroßen Ilebelarmen multipliziert werden.
Die Ergebnisse der Arbeit zeigen somit einerseits, wie sich die bei der Streifenmethode unvermeidlichen Fehler in der Nähe der Schiffs-enden durch Wahl geeigneter krummliniger Koordinaten verringern las-sen, und sie geben andererseits Hinweise, in welcher Größenordnung und Tendenz sich die hierdurch erzielbaren Korrekturen bewegen.
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r / J z r, o r, J r 0 ;d 'I r r t J r,Bayer
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5090 Leverkusen
Anschrift Name/Firma
Prof. Dr.-Ing. W.-H. Isay
KAVITATION
Schiffahrts-Vcrlag ,,Hansa" C. Schroedter GmbH & Co. KG
Schiffstechnik Bd. 28 - 1981 202
-NEUERSCHEINUNG
KAVITATION
von Dr-Ing. W.-H. I s a y,
Professor für Strömungsmechanik
am Institut für Schibau der
Universität Hamburg.322 Seiten mit 166 Abbildungen,
DM 40 inkl. MWSt zuzüglich
Versand-kosten.
Kavitation bedeutet Hohiraumbildung durch Verdampfung des Wassers bei Absinken des örtlichen
Strö-mungsdruckes auf oder unter den Dampfdruck. Diese Erscheinung ist insbesondere den mit der Entwick-lung von Schifispropellern befaßten Ingenieuren und Forschern seit langem ein Begriff.
Kavitationserstheinusigen bleiben nicht ohne Auswirkungen auf das Strömungsfeld; so können die hydro-dynamischen Eigenschaften, insbesondere die Druckverteilung, von Propellerflügeln und anderen Strö-mungskörpern durch Kavitation erheblich beeinflußt werden. Durch die beim Zusammenfall von Blasen und Kavitationsschichten entstehenden Druckwellen werden häufig Materialschäden an Strömungskörpern hervorgerufen. Besonders bekannt ist die Flügelbiatterosion bei Propellern. Kavitationsvorgänge rufen ferner an benachbarten Bauteilen (zum Beispiel der Außenhaut eines Schiffes in der Umgebung des Pro-pellers) starke Vibrationsbelastungen hervor und führen außerdem zu einer erheblichen Geräuschabstrah-lung.
Es ist daher verständlich, daß die Probleme der Kavitation und insbesondere die mit der Übertragung von Modellversuchsergebnissen auf die Großausführung verbundenen Fragen international Gegenstand einer intensiven Forschung sind. Gerade im vergangenen Jahrzehnt wurden beachtliche Fortschritte erreicht. Auch im Rahmen des von den Universitäten Hamburg und Hannover sowie der Hamburgischen Schiff-bauversuchsanstalt und dem Germanischen Lloyd getragenen Sonderforschungsbereichs ,,Schiffstechnik
und Schiffbau" wurden unter Leitung des Verfassers Fragen der Kavitation bearbeitet.
Das Buch ist aus Vorlesungen hervorgegangen, die der Verfasser seit mehreren Jahren an der Univer-sität Hamburg für Studenten des Schiffbaus und der Physik abhält und die ein erfreuliches Interesse ge-funden haben. Das dabei seit 1976 herausgegebene Vorlesungsmanuskript wurde nunmehr unter Berück-sichtigung des gegenwärtigen Standes der internationalen Kavitationsforschung und der entsprechenden Originalarbeiten einer völligen Neubearbeitung unterzogen und in die Form eines Buchesgebracht.
Zunächst werden die strömungsmechanischen und thermodynamischen Grundlagen der Kavitation in einer Keime enthaltenden Zwei-Phasen- und Zwei-Komponenten-Strömung sowie Fragender Stabilität, des Wachstums und Zusammenfalls von Keimen und Blasen behandelt. Weitere Kapitel sind den Problemen des Kavitationseinsatzes und dem Einfluß der Strömungsgrenzschicht und der Turbulenz gewidmet sowie der Vorausberechnung der Kavitationserscheinungen an Strömungskörpern, insbesonderePropellerflügeln. Die Bedeutung der Kavitation (u. a. auch in Spitzenwirbeln) für die von Propellern an der
Schiffsaußen-haut indu.zierte Vibrationsbelastung und die verschiedenartigen Maßstabseffekte zwischen
Modeilver-suchen mit Propellern und den Originalbedingungen werden abschließend erörtert.
BESTELLSCHEIN
an Schiffahrts-Verlag ,,Hansa" C. Schroedter GmbH & Co. KG, Postfach 11 03 29, 2000 Hamburg 11
Ich/Wir bestelle(n) Exemplar(e) ,,KAVITATION" zum Einzelpreis von DM 40, inkl. MWSt.
zuzüglich Versandkosten.
Datum
LIT E RAT U RV E R Z EI CHN IS
BORODAI, I.K./NETSVETAYEV, Y.A.
"Ship Motion in Ocean Waves" (russ.) Sudostroenie, Leningrad 1969.
GRIM, O.
"Durch Wellen an einem Schiffskörper erregte Kräfte", Symposium of Ships in a Seaway, Wageningen 1957.
GRIM, O.
"A Method for a More Precise Computation of Heaving and Pitching Motions Both in Smooth Water and in Waves",
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KIM, W.O.
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"Tensor Analysis"
John Wiley & Sons, Inc., 2nd ed., New York, 1964 SPHAIER, S.H.
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(j ap. )
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"The Coupled Damping Coefficients of Symmetric Ships", J. Ship Research, Vol. 5, No. 4, 1962.
Tabelle 1: Form des Sphäroids und des Rotationskörpers IL/B = 8,0)
Schiffstechnik Bd. 23 - 1981 204 -x Sphäroid Rotationskörper + r = f(- x) r = f(x) r = f(-x) 0 0,12500 0,12500 0,1250 0,1 0,12437 0,12447 0,12427 0,2 0,12247 0,12267 0,12228 0,3 0,11924 0,11953 0,11896 0,4 0,11457 0,11493 0,11420 0,5 0,10825 0,10868 0,10782 0,6 0,10000 0,10048 0,09952 0,7 0,08927 0,08976 0,08877 0,8 0,07500 0,07547 0,07452 0,9 0,05449 0,05487 0,05410 0,95 0,03903 0,03932 0,03874 0,96 0,03500 0,03527 0,034732 0,97 0,03039 0,03062 0,030153 0,98 0,02487 0,02507 0,024680 0,99 0,01763 0,01777 0,01749 1 0 0 0
Tabelle 2: Koeffizienten der hydrodynamischen Massen, Massenmomente
und Dämpfung des tauchenden und stampfenden
Rotationskör-pers (L/B = 8,0) nach der Theorie schlanker Körper
£33 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 a 0,942 a 0,753 b 0,759 a 0,651 b 0,656 a 0,606 b 0,611 a 0,599 b 0,604 a 0,616 b 0,621 a 0,646 b 0,652 L¡ B33 A55 55 0,949 a - Sphäroidkoordinaten b - Kartesische Koordinaten A LS
-
VL - Volumen" _ILt
S3 LS -2,628 0,0515 0,140 2,649 0,0527 0,143 2,616 0,0409 0,143 2,637 0,0419 0,147 2,455 0,0347 0,139 2,474 0,0355 0,142 2, 196 0,0313 0,129 2,213 0,0320 0,132 1,888 0,0299 0,115 1 ,903 0,0306 0, 118 1,571 0,0298 0,100 1,584 0,0306 0,103 1,274 0,0306 0,085 1,284 0,0314 0,087I
z
r+
rX 1+72
y r sn e L
i -2
Abb. I
Sphroid -, Zylinder - und
kartesische KoordinotenSchifistechnik Bd. 28 - 1981 206 -rA
Lt/1M
Z/-i
cos e F, F' - Brennpunkte FF 2 L sin e L2i
2' /kLz
-r cose
-i_2
cose 2_ 1r Z
J2'
freie Oberfiöche
C ( f.O.)
Abb. 2 - Kortesische Koordinaten
-
-.'--- -
-- -
--- ---.
/
Def mit io ns be reich
in Kart. Koord.
-Abb. 4 X Abb. 2 Abb. 3 Definition von C(S0), C(f.O-),CR-
-- -.-Definitionsbereich in Sphdroidkoord.-
-.- -'-'- --XAbb. 2, 3, 4
Abbildungen433 o
/
/
/
/
/
I.
/
L-Abb. 5
/
/
dreidimensionale LÖSUng W. O. Kim) Theorie schLanker Körper 1 2 Schiffstechnik Bd. 28 1981 208-All
A33 - VolumenHydrodynamische Mosse beim Tauchen
Sphroid L/B
4,0, FO
/
3 4
0,5 B33 B33
f
b33 dt B33=Abb. 6
Theorie schl.anker-
-.
Sphäroidkoord. Korper/
./
\\\
/
/
\
/
/
dredrnensionale Lösung W. D. KmV:: Volumen
ii:Koeffizienten der hydrodynomischen Dmpfung beim Tauchen,
Sphroid, L/B
4,0) F
O/
Kart. Koordinaten 2 133 1,5 2 3 4o,lSt 0,10 0,05
i
/
/
/
A55 a33 df A55 551
Ç) V L2
-
Sphroidkoord/
/
/
Schiffstechnik Bd. 28-1981 210 -= L/g V - Volumen dreidirnensioraLe Lösung -W.D.Kim)/
7,
/
- -
,L Kart. Koord./
Theorie schlanker Körper
/
/
/
/
/
/
1 2 3 L 17Abb. 7 Hydrodynomisches Trgheitsmoment beim Stompfen,
B55 0,10 - U,05,-B55 = B55
55J)L2\17
/
w\/L/g
- Vowmen/..
dredimensionae Usuny/
(W.D.Kìm) Theorie schtankerN
K3rperN
Koeffizienten der hydrodynamischen Dimpfun beim Stompfen,
Abb. 8
Sphroid L/B
4,0
, F,. OA33 B33 2 1,5 l'o 0,5 o
N
Abb. 9
A33= B33 Schiffstechnik Bd. 28 1981 33dJt 33djz I 4 2 3 4 5 lic - 212 -A33 B33 Dmp A33 B33çr7ii
L/gV - VoIumen
Masse A33Koeffizienten der hydrodynamischen Mosse und Dmpfung beim
0,075
-
A55\
\ \ F037\
\\/
\
'(
F1,0,25\\
0,20\'\V\
\ <ç'
\\\N
N NN
NNN
0,025 -Ti)e Abb. IOStretenmeth de
'ker 1_.T-
- --- S-.--"or
Per -- -.. -5----. A5532
¡j. a33d A A55 - Vo'umen Sreifenmethode 1Hydrodynomisches Trgheitsmoment beim Stampfen,
Rotationskrper L/B
8)0 ( Tabelle I2
Theorie schlank er Kärper
0j
-f-- -t- f
B55 B55
r2 g/
Q,2Oç-
i\JL/g
N
F030
N
methodeN
Streifen - VolumenF0,25 N
N
T F 0,20 -N
N
__.__±n0,15N
0,15 -N
N
TheOre SChLanker jr..0,10-Theone schlanker Körper
Streifenmethode
0,05--Schiffstechnik Bd. 28 1981 214 -b33 d1j. 3/L2b33dfA+_-2
u2 33N
F F 2 3 4 5Koeffizienten der hydrodynamischen Dmpfung beim Stompfen,
Abb. II
Rototionskrper L/B
8,0
( Tabelle IB55 =
Streifenmethode -
0,10-i-L.
Theorie schlank
Körper O 2 3 Theorie schlanker Körper_._.L.
7f
/
A53 0,10- -1bb. 12 Str&fenrnethode B1-VL/g
--
. 7- -7-BfLV'7L
A j 'cf L - VoWmen -53 K o ppl un g s k 0e f f z ¡ e n ten,Rotohonskrper LIB 8,0 (Tobelle I), F
0,20
Streifenmethode Theorie schlanker
N
/B35
Körper
A-ftua33dj fu-
B33 A35=fa.1i
+_ Bim{2
fds}
B3-f.ib33dp
- U A33 B3 -f
£)A b33dp. - U A33 Re 2 Uf
ds} A5_fa33dp.
U B3 A53 = -f
£a33dji - B + 1m2i U
dS} {f
B53 -fF&b33dp. + U B5=f)LbdJL#
UARe{2fUfcdS}
g 0,20 B A1N
-f 4_s
-/
0,20--0,30 0,20 N
\
435 0,10-N -0,20\
O 2N
N
/
N Abb. 13 B1 N/
-0,10-453/
V
/
/
/
3-7
z
St reif enmethode =_fadr.
- B. B35 = - b., dy. - U 433-
f
ad & - BB=- fbd+ U 433
Aj
PVL
Streifenmethode_
---ç
ooe -IA-'
Pe,'W\/i7
Y - V&imen --StreifenmeThode---K op plu ng sk oef f izient en
Rotationskrper L/B
8,0 (Tabelle
I )1F0,30
/
,..
-/
-±
5 B35Theorie schlanker K6rper
+ B33-I
2iU /: dS}
sfbp UA3;_Re12? fds
A_fLa3dA-jB+1m k2çU
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dSBs3fLb33d/A4u A33Re t2urUJ
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auf die Kopplungsglieder
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3 15
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Abb..15
Faktor KOR ois
Funktion von LIB fr ein Sphroid
-Diskussion
Prof. Dr.-Ing. Horst Nowacki, TU Berlin
Die vorliegende Arbeit ist eine interessante Studie zu den
ÎR5glich-keiten und Grenzen der modernen Streifenmetbode und der mit ihr
ver-wandten NäTherungsverfahren auf der Grundlage der Theorie schlanker
Körper. Es ist bekannt, daß diese Verfahren, abgesehen von
Linea-risierungen hinsichtlich von Bewegungsamplituden und Höhe der ein-fallenden Wellen, auch auf vereinfachenden Annahmen beruhen, um die
streifenweise Behandlung der dreidimensionalen Strömung am
schwin-genden Schiff zu rechtfertigen, nämlich u.a. einer expliziten
oder
impliziten Schlankheitsannahme (kleine Schiffsbreite im Verhältnis
zur Länge) und der Voraussetzung hoher Schwingungsfrequenz (kleine
Wellenlänge der durch die Bewegung entstehenden Wellen im Vergleich
zur Schiffslänge). Der durch die Schlankheitsnäherung verursachte
Fehler, d.h. die Vernachlässigung von Strömungskomponenten
senk-recht zum Streifen, hängt aber von der Wahl des Koordinatensystems ab; Ziel der Arbeit ist es, diesen Fehler durch Einführung
krumm-liniger Koordinaten, hier von Eilipsoidkoordinaten, zu verringern,
indem der "Streifen" (in diesen Koordinaten eine gekrümmte
Raum-fläche) so gelegt wird, daß er - auch an den Schiffsenden - die
Richtung normal zur Schiffsoberfläche besser annähert.
Zu diesem Zweck wird in der Arbeit in konsequenter Weise mittels
der Methode der "matched asymptotic expansions" eine Lösung für
die Theorie schlanker Körper in Ellipsoidkoordinaten entwickelt.
Die Beispielrechnungen lassen die Folgerung zu, daß die so
gewon-nene Korrektur in der richtigen Richtung liegt, da vor allem bei
hohen Frequenzen eine gegenüber dem Verfahren in kartesischen
Ko-ordinaten verbesserte übereinstimrnun mit dreidimensionalen
Rechen-ergebnissen (W.D. Kim) erzielt wird. Allerdings ist bei hohen
Fre-quenzen die Zuverlässigkeit der Streifenmethoden ohnehin erwiesen.
Bei niedrigen Frequenzparametern dagegen, wo zwischen den
Ergebnis-sen dreidimensionaler Berechnungen und solchen nach der
Streifen-methode erhebliche Unterschiede auftreten, verbessert die
Korrek-tur die Übereinstimmung nicht entscheidend, sondern es bestätigt
sich die Vermutung, daß hier die Voraussetzung kleiner
Wellenlän-gen und damit vorwieWellenlän-gend quer zum Schiff sich ausbreitender Wellen
die maßgebliche Fehlerursache darstellen dürfte.
Die Beispielrechnungen zeigen ferner, daß bei Verwendung der (kar-tesichen) Streifenmethode besonders im Falle stumpfer Körperenden
"Endeffekte" unberücksichtigt bleiben, die eigentlich nicht ohne
weiteres vernachlässigbar sind. Solange die Berücksichtigung
die-ses Einflusdie-ses durch exakte Rechnungen für Schiffe zu aufwendig
er-scheint, kann man u.U. eine überschlägige Korrektur anhand von
Er-satzrotationskörpern entwickeln ähnlich derjenigen, die von F.M.Lewis
für elastische Schiffsschwingungen unter Bezug auf tiefgetauche
Ellipsoide eingeführt wurde. Dafür liefert vorliegende Arbeit die
W. Blenderrnann, Institut für Schiffbau, Hamburg
Herr Sphaier kommt zu dem Ergebnis, daß sich die hydrodynamischen Koeffizienten für ein tauchend und stampfend bewegtes Schiff in
Sohäroidkoordinaten - wenn auch nur geringfügig - genauer berech-nen lassen als in kartesischen Koordinaten. Dies gilt, wie er auch sagt, streng nur für hohe Frequenzen. Als Vergleich dient ihm die dreidimensionale Lösung von Kim (1965) für ein Sphäroid mit Breite zu Länge B/L = 1/4, wiewohl Kim, um den Rechenaufwand zu begrenzen, seine Berechnungen nicht für so hohe Frequenzen durchgeführt hat, daß ein unmittelbarer Vergleich möglich wäre. Im unteren Frequenz-bereich wird die Anpassung für Masse und Trägheitsmoment (Bild 5 und 7) sogar schlechter. Die Aussage, daß die hydrodynamischerL
Drücke an den Enden realer Schiffe in geeigneten krummlinigen Koor-dinaten genauer zu erfassen seien, trifft daher wohl nur bedingt zu.
Es wäre interessant, wenn Herr Sphaier Ergebnisse seiner Rechrung mit Meßwerten vergleichen und sie Ergebnissen anderer
Berechnungs-methoden gegenüberstellen könnte. Von Lee und Paulling (1966) sind beispielsweise Meßwerte für ein tauchend und stampfend fortbeweg-tes Sphäroid mit B/L = 1/6 bekannt. Yeung und Kim (1981), Bild 4 ebenda, haben sie mit Rechenergebnissen verglichen. Wie fügen sich Ergebnisse nach dem vorgestellten Verfahren ein ? Im interessieren-den Frequenzbereich im ganzen wohl nicht besser als nach der her-kömmlichen Methode.
Lee, C..M., und J.R. Paulling. 1966. Measurements of pressures on a heaving prolate spheroid. University of California, Berkeley, Cal., U.S.A., Bericht Nr. NA-66-4.
Yeung, R.W., und S.-H. Kim. 1981. Radiation forces on ships with forward speed. Proceedings, Third International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, Paris, F., Vortrag VII-4.
S tel lunnahme des Autors
Zunächst möchte ich Herrn Blendermann und Herrn Prof. Nowacki für ihre Diskussionen danken. Herrn Prof. Nowacki danke ich ebenfalls für seine Betreuung der Arbeit, aus der die
Veröf-fentlichung hervorgegangen ist, und für seine Anregungen und stets konstruktive Kritik. Seine Diskussion erläutert nochmals das Ziel der Arbeit und spricht im übrigen für sich selbst.
Um Herrn Biendermann zu antworten, ist zunächst einiges zu er-klären. Seit der Veröffentlichung der Streifenmethode von
Korvin-Kroukovky (1957) hat man für die danach berechneten hydrodynamischen Massen- und Dämpfungskräfte im Tauchen und im
Stampfen zumindest im höheren Frequenzbereich stets gute tiber-einstimmung mit Experimenten feststellen können. Neuere Formen der Streifenmethode nach 1957, ausgehend von der Theorie
schlan-ker Körper, haben zwar zu gewissen Verbesserungen geführt, aber
nicht zu großen Differenzen, da die tibereinstimmung mit Versu-chen im oberen Frequenzbereich schon vorher gut war. Andererseits steht grundsätzlich auch fest, daß die Methode von Korvin-KroU-koisky keine mathematisch konsistente Grundlage hat. Vielmehr
-läßt sich nach der Theorie schlanker Körper zeigen (Ogilvie,
1974) , daß die Annahme hoher Schwingungsfrequenz eine wichtige Voraussetzung für die mathematische Gültigkeit von
Streifenmetho-den ist. Daß mitunter auch bei niedrigeren Frequenzen
brauch-bare Ergebnisse für die Bewegungsprognose erzielt werden können, liegt daran, daß in diesem Fall hydrostatische Rückstellkraft-effekte dominieren (Tuck, Faltinseri, Salvesen, 1970).
Da sich vorliegende Arbeit mit der überprüfung der Streifenme-thoden bezüglich von Endeffekten befaßt, kann nur die Genauig-keit der hydrodynamischen Koeffizienten im oberen Frequenzbereich Kriterium für den Erfolg sein, denn bei niedrigeren Frequenzen unterliegen die Streifenmethoden grundsätzlich anderen Fehler-einflüssen. Ein Vergleich mit Versuchen im gesamten Frequenzbe-reich würde daher nichts Schlüssiges über die bessere Erfassung von Endeffekten aussagen. Da jedoch weder mir, noch Herrn Blen-dermann für hohe Frequenz direkte Vergleichsdaten vorlagen, kann ich die Grundlage seiner Aussage nicht verstehen, daß die Ergeb-nisse nach dem neuen Verfahren im interessierenden Frequenzbereich wohl nicht besser seien als nach der herkömmlichen Methode.
In jedem Fall hat meine Arbeit gezeigt, daß für das Sphäroid bei sehr hoher Frequenz die Streifenmethode in krummlinigen Ko-ordinaten (SphäroidkoKo-ordinaten) zwangsläufigdichter an der exak--ten Lösung liegt als diejenige in kartesischen Koordinaexak--ten. Bei unendlich hoher Frequenz gilt bekanntlich an der freien Oberflä-che die Bedingung 0 = O und die hydrodynamische Masse wird genau
halb so groß wie für das voll getauchte Sphäroid, für das eine geschlossene Lösung bekannt ist. Bezeichnet man die exakte Lö-sung mit m und die Näherungen in Sphäroid- bzw.kartesischen Ko-ordinaten mit m5 bzw. kk , so erhält man (Sphaier, 1976 ) mit
den Koeffizienten R1 , , a , a msk = mkk = m m ' 2 R1 1+ i ; ai L/B a1
Die Tabelle zeigt einige Ergebnisse: a2
Wegen a1 a ist stets
mkkmsk.m.
Bei Schiffen dürfte dieser Effekt wegen der Völligkeit der Enden größer sein als beim Sehäroid.
Den Hinweis auf weitere Vergleichsmöglichkeiten mit Versuchen und dreidimensionalen Berechnungen nehme ich dankend entgegen, hatte jedoch bisher noch nicht Gelegenheit zu diesen Verq]eichen. In jedem Fall erscheint eine verbesserte Behandlung von Endeffek-ten in Streifenmethoden möglich und grundsätzlich auch wünschens-wert, selbst wenn bei bestimmten, niedrigeren Frequenzen die Streifenmethoden auch noch durch andere, u.U. wichtigere Fehler-quellen verfälscht werden.
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