Propellerzustrom – Bestimmung des effektiven Propellerzustroms für die Binnenschifffahrt
Im Fokus der Arbeiten des dreijährigen Projektes standen die komplexen Strömungsvorgänge im Hinterschiffsbereich von Binnenschiffen. Vier Schiffe mit den Abmessungen des Großen Rheinschiffs (110 m lang, 11,44 m breit) wurden entworfen, um die große Vielfalt der existierenden Flotte abzubilden. Diese Entwürfe wurden im Modellmaßstab gebaut und experimentell sowie numerisch untersucht.
Die übliche Vorgehensweise zur Identifikation der Wechselwirkung zwischen Rumpf und Propeller ist die Kombination von Freifahrt-, Widerstands- und Propulsionsversuch. Diese Versuche wurden für alle vier Schiffe mit einem Tiefgang von 2,80 m bei drei verschiedenen Wassertiefen durchgeführt. Während die Entwürfe im Widerstand recht nah beieinander liegen, zeigten die Kenngrößen der Propulsion und der Interaktion zwischen Rumpf und Propulsor sehr unterschiedliche Tendenzen. Beispielsweise benötigen zwei der Entwürfe bei großer Wassertiefe ähnliche Leistungen, während sie sich im flachen Wasser um nahezu Faktor 2 unterschieden.
Insgesamt zeigte sich nach eingehender Auswertung der Versuche kein eindeutiges Bild. Vielmehr wird die große Komplexität der Hydrodynamik völliger Schiffsformen unter Flachwassereinfluss deutlich. Diese Effekte können nur durch numerische Simulationen sowie aufwändige Modellversuchstechniken untersucht werden. CFD-Methoden simulieren die Strömungen und ihre Wirkungen im gesamten Berechnungsvolumen und erlauben somit sehr detaillierte Analysen. Zudem sind diese Berechnungen auch für die Großausführung möglich. Dennoch genügen CFD-Simulationen allein nicht. Die relevanten Längenskalen für schiffstechnische Strömungen sind für eine vollständige Abbildung mit numerischen Methoden zu unterschiedlich. Die Wirkung transienter und kohärenter Wirbelstrukturen muss mit Turbulenzmodellen angenähert werden.
Daher wurden hier die verfügbaren Methoden komplementär eingesetzt. Skalierte Modellversuche lieferten Validierungsdaten für die CFD-Simulationen im Modellmaßstab. Für ausgewählte Modelle und Fahrzustände wurden aufwändige PIV-Versuche durchgeführt. Mit den aufgemessenen Strömungsfeldern konnte die Qualität der CFD-Ergebnisse deutlich verbessert werden. Anschließend wurden mit den validierten Verfahren für alle Entwürfe Simulationen im Maßstab der Großausführung durchgeführt.
In diesem Vorhaben konnten verschiedene Hinterschiffsformen und unterschiedliche Antriebskonfigurationen systematisch untersucht und verglichen werden. Der große Einfluss der Form auf die Leistungsfähigkeit eines Binnenschiffsentwurfs für Flachwasser konnte nachgewiesen werden. Die detaillierten Informationen aus PIV-Messungen und CFD-Simulationen werden dazu beitragen, die Energieeffizienz der Binnenschifffahrt bei Neu- und Umbauten weiter zu verbessern. Werften, Zulieferer und Ingenieurbüros können die Ergebnisse nutzen, um Schiffslinien und Antriebskonfigurationen zu optimieren. Die Energieeffizienz wird gesteigert und Schwingungen und Schallemissionen werden reduziert. Die Ergebnisse lassen sich zwar nicht beliebig auf jeden Entwurf übertragen, jedoch sind Trends abzuleiten und auch das geschaffene Bewusstsein für die komplexen Vorgänge kann vorteilhaft genutzt werden. Zudem können die verbesserten Verfahren künftig effizient und zielgerichtet genutzt werden.
Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Benjamin Friedhoff, Tel.: 0203 99369-29
