+ All Categories
Home > Documents > Linienoptimierung einer groˇen Motoryacht (Fn = 0 38 bez ... · a) der Reibungswiderstand, der...

Linienoptimierung einer groˇen Motoryacht (Fn = 0 38 bez ... · a) der Reibungswiderstand, der...

Date post: 15-Aug-2019
Category:
Upload: vancong
View: 214 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
25
Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003 Linienoptimierung einer großen Motoryacht (F n =0, 38) bez¨ uglich Wellenwiderstand, Stabilit¨ at und Man¨ ovrierverhalten Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabenstellung 2 2 Das Ausgangsschiff 2 2.1 Randbedingungen ....................................... 3 2.2 Wellenbild des Ausgangsrumpfes ............................... 3 3 Der Schiffswiderstand und seine numerische Berechnung 4 4 Form¨ anderungen am Vorschiff 7 4.1 Schlankeres Vorschiff ...................................... 7 4.2 Bugwulst ............................................ 10 4.3 Aufkimmung .......................................... 14 5 Form¨ anderungen am Hinterschiff 15 5.1 Spiegeltauchung ......................................... 15 5.2 Staukeil ............................................. 16 6 Man¨ ovrieren 22 7 Schlußfolgerungen, Ergebnis und Ausblick 23 8 ¨ Ubersicht ¨ uber die Formvariationen 24 Jan Steinmetz (TUHH) /home0/e4/sources/ [email protected] 1/25
Transcript

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Linienoptimierung einer großen Motoryacht (Fn = 0, 38)bezuglich Wellenwiderstand, Stabilitat und Manovrierverhalten

Inhaltsverzeichnis

1 Aufgabenstellung 2

2 Das Ausgangsschiff 2

2.1 Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Wellenbild des Ausgangsrumpfes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3 Der Schiffswiderstand und seine numerische Berechnung 4

4 Formanderungen am Vorschiff 7

4.1 Schlankeres Vorschiff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4.2 Bugwulst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.3 Aufkimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5 Formanderungen am Hinterschiff 15

5.1 Spiegeltauchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5.2 Staukeil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6 Manovrieren 22

7 Schlußfolgerungen, Ergebnis und Ausblick 23

8 Ubersicht uber die Formvariationen 24

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

1 Aufgabenstellung

In den letzten Jahren hat sich der Schiffsentwurf stark gewandelt. Zunehmend gewinnen CFD-Methoden(coputational fluid dynamics - numerische Stromungsmechanik) im Schiffsentwurf an Einfluß. Es ist zwarlange noch nicht abzusehen, wann diese den Schleppversuch zur Bestimmung des Schiffswiderstandesersetzen, aber bereits jetzt erlaubt CFD das Durchspielen einer Vielzahl von Rumpfvariationen, vondenen nur die vielversprechendste den Feinschliff im Schlepptank erhalt.In der vorliegenden Diplomarbeit soll nun diese Technik auf einen Motoryachtrumpf angewendet wer-den. Dieser soll auf seinen Glattwasserwiderstand unter Berucksichtigung bestimmter Randbedingungenuntersucht werden. Es ist dabei zu prufen, ob und inwieweit durch CFD-Berechnungen von systemati-schen Formvariationen der Wellenwiderstand der Yacht gesenkt werden kann. Besonderes Augenmerksoll dabei auf die Beibehaltung der Verdrangung und die Einhaltung der Stabilitatseigenschaften desSchiffes gelegt werden. Weiterhin ist eine Untersuchung des Manovrierverhalten des Ausgangsrumpfesund des optimierten Rumpfes durchzufuhren und zu vergleichen.

2 Das Ausgangsschiff

Bei dem Ausgangschiff handelt es sich um eine Motoryacht von Abeking & Rasmussen. Sie befahrt zurZeit das Seegebiet rund um die Karibik als Charterschiff.Die Hauptdaten fur den Ausgangsrumpf lauten:

Lange uber alles (Loa) 57,30 mLange in der Wasserlinie (LWL) 50,64 mBreite in der Wasserlinie (BWL) 10,70 mKonstruktionstiefgang (TCWL) 3,23 mGeschwindigkeit (v) 16,5 knFroude-Zahl (Fn) 0,381

Der Ausgangsrumpf ist ein sehr bewahrter Entwurf, der von der Werft immer wieder - jeweils leichtmodifiziert - fur Motoryachten im Langenbereich zwischen 55 - 60 m benutzt wird. Das Boot verfugtuber ein Querstrahlruder vorn und uber ein nicht einfahrbares Paar Flossenstabilisatoren.

Abbildung 1: Linienriß und Abbildung des Ausgangsschiffes

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

2.1 Randbedingungen

Fur die Optimierung des Schiffes gibt es folgende Randbedingungen, die zur Erfullung der Aufgabeeingehalten werden mussen:

• Die Lage des Maschinenraumfrontschotts soll erhalten bleiben, ebenso die Abmessungen des Ma-schinenraums. Das bedeutet, daß die Aufkimmung nicht starker werden darf, bei Anderungen desHinterschiffes muß auf die Maschinenraumgroße geachtet werden.

• Die Lage der Ankerklusen soll in etwa beibehalten werden, eine kleine Verschiebung nach oben istaber zulassig. Hierauf muß bei der Breite eines Bugwulstes geachtet werden.

• Propellerfreischlage sollen ausreichend groß bleiben wg. Schall / Vibrationen.

• Die Stabilisatoren sind nicht einklappbar und sollen beibehalten werden. Der Kimmradius darfalso nicht kleiner werden bzw. muß an eine evtl. veranderte Aufkimmung angepaßt werden.

• die Stabilitat des Schiffes muß aureichend groß bleiben, wobei das IMO-Wetterkriterium die In-taktstabilitat bestimmt.

• Stabilitatsberechnungen sind mit freiem Trimm durchzufuhren.

• Die Geschwindigkeit betragt 16,5 kn.

• Die Schiffsseite darf nicht eben sein (kein ”echtes“ paralleles Mittelschiff), sondern muß in minde-stens eine Richtung leicht gekrummt sein, um den Eindruck der Oberflachengute zu verbessern.

• Allerdings sollte es eine Stelle im Schiff geben, wo die Langswinkel alle ungefahr gleich Null sind,um das Schiff dort zu verlangern, wenn notig.

2.2 Wellenbild des Ausgangsrumpfes

Die nach der Generierung des E4-Modells durchgefuhrte Wellenwiderstandsberechnung nach der Potentialtheorie-Methode erbrachte folgendes Wellenbild:

Abbildung 2: Wellenbild fur den Ausgangsrumpf

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Typisch fur diese Froude-Zahl ist, wie sich das erste Wellental des Bugwellensystems (1) fast genaumit dem ersten Wellental des Wellensystems der vorderen Schulter (2) uberlagert. Das langslaufendeHeckwellensystem (3) ist wenig ausgepragt, da es bei diesem Rumpf keine starke hintere Schulter gibt.Das Querwellensystem hinter dem Schiff (4) ist sehr groß und steil. Dies liegt am relativ stark getauchtenSpiegel. Man muß aber beachten, daß bei potentialtheoretischen Berechnungen die Querwellen tenden-ziell ubertrieben werden. In Wirklichkeit ist die Stromung durch Reibungsverluste dort nicht mehr soenergiereich und kann daher nicht mehr die Druckwerte wie am vorderen Staupunkt erreichen, wodurchauch die Wellen flacher werden. Damit wird auch der trimmende Einfluß der Heckwelle ubertrieben.Das Schiff durfte in Wirklichkeit also weniger stark vorlastig fahren als im Rechnermodell.Das Wellenbild sollte immer zusammen mit der Druckverteilung am Rumpf, durch die ja die Wellenhervorgerufen werden, betrachtet werden:

Abbildung 3: Druckverteilung am Ausgangsrumpf

Deutlich ist bei Spt. 11-12 das große Unterdruckgebiet der vorderen Schulter zu erkennen. DasUberdruckgebiet der Bugwelle zerfallt in zwei Teile, was auf brechende Wellen hindeutet, die aber mitder Potentialtheorie nicht erfaßt werden konnen. Im Hinterschiffsbereich sieht man sehr schon, daßaufgrund des geringen Druckgradienten die Gefahr der Ablosung kaum gegeben ist.Um nun das Wellenbild zu verbessern, gibt es mehrere Moglichkeiten [KRUE01]:

• Als erstes muß man versuchen, durch globale Formanderungen die Lage der einzelnen Wellensyste-me zueinander so zu beeinflussen, daß das Gesamtsystem verstimmt ist. Dies ist bei einem Schiffmit einer so großen Froude-Zahl aber nur bedingt moglich.

• Da die Energie der Wellen im Nachlauf mit der zweiten Potenz der Wellenhohe wachst, ist es sinn-voll, die Wellensysteme nicht zu hoch werden zu lassen. Dies wird erreicht, indem man versucht,bereits die einzelnen Druckmaxima und -minima moglichst klein zu halten (z.B. kleines Wellentaldurch weiche Schulter).

• Man kann außerdem versuchen, einem vorhandenen Wellensystem ein zusatzliches kunstlichesWellensystem so zu superponieren, daß sich beide System moglichst weitgehend ausloschen. Daszweite kunstliche Wellensystem kann z.B. das eines Bugwulstes sein, es kann aber auch von kleinenlokalen Formanderungen (z.B. teilweise hohlen Wasserlinien im Vorschiff) herruhren.

3 Der Schiffswiderstand und seine numerische Berechnung

Die genaue Bestimmung des Schiffswiderstandes ist eine schwierige und auch nach uber hundert JahrenForschung immer noch nicht vollstandig geloste Aufgabe. Sie ist vor allem deswegen so kompliziert, weil

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

der Schiffswiderstand

a) sehr klein und

b) die Differenz zweier sehr großer Krafte

ist. Weiterhin ist der Schiffswiderstand zusammengesetzt aus mehreren Anteilen, die unterschiedlichephysikalische Ursachen haben. Die wichtigsten (weil großten) sind

a) der Reibungswiderstand, der durch die Reibung der Wasserteilchen am Schiffsrumpf entsteht

b) der Wellenwiderstand, der der Energie entspricht, die zur Bildung und Aufrechterhaltung des cha-rakteristischen sekundaren Wellensystems um das Schiff notwendig ist

c) der viskose Druckwiderstand, der dadurch entsteht, daß auf dem Weg, den das Wasser am Schiffs-rumpf entlang macht, kinetische Enhergie in Warme umgewandelt (dissipiert) wird. Der Drucksteigt daher auf der Ruckseite des Schiffes nicht wieder so hoch an wie auf der Vorderseite. DieDifferenz ist der viskose Druckwiderstand.

d) der Windwiderstand

Alle Widerstandsanteile sind am Gesamtwiderstand in uber die Geschwindigkeit veranderlichen Anteilenbeteiligt. Der Anteil des Wellenwiderstandes am Gesamtwiderstand nimmt dabei kontinuierlich zu. Beider Froude-Zahl des zu optimierenden Schiffes Fn = 0, 38 betragt sein Anteil bereits 50% oder mehr.Es bringt daher also richtig viel, diesen Rumpf bezuglich des Wellenwiderstandes zu verbessern.Im von der Flensburger Schiffbaugesellschaft entwickelten Schiffsentwurfssystem E4 ist das 1996 vonProf. Soding (Institut fur Schiffbau, Hamburg) geschriebene Programm KELVIN implementiert. BeiKELVIN handelt es sich um einen Solver, der auf Basis der Potentialtheorie den Wellenwiderstand unddie Schwimmlage des fahrenden Schiffes berechnet.In der Potentialtheorie wird davon ausgegangen, daß ein ideales, d.h. reibungsfreies und wirbelfreiesFluid vorliegt. Die durch die Reibung verursachten Anteile des Schiffswiderstandes werden also nichtberucksichtigt. Das bedeutet aber auch, daß in Fallen, wo der Einfluß viskoser Effekte ausschlaggebendist, KELVIN keine sinnvollen Ergebnisse liefern kann. Praktisch betroffen sind davon also Rumpfe, beidenen Ablosung auftritt, Schiffe mit niedrigen Froude-Zahlen (da der Anteil des Reibungswiderstandendort hoch ist) und getauchte Spiegel ohne sauberen Stromungsabriß.In einem idealen Fluid hangen Druck und Geschwindigkeit nach der Gleichung von Bernoulli wie folgtzusammen:

p

ρ+ gh+

v2

2= const.

Stark vereinfacht dargestellt arbeitet das Programm wie folgt: auf der Schiffsoberflache und der freienWasseroberflache um das Schiff herum wird ein Panelgitter erzeugt (s. Abbildungen 4 und 5). DasRumpfgitter wird nur an Bereichen, wo große Gradienten erwartet werden (z.B. Bugwulst), verfeinert,um den Druckverlauf auf der Außenhaut gut darzustellen. In Bereichen, in denen keine großen Ande-rungen zu erwarten sind oder fur die die Potentialtheorie sowieso keine Aussage machen kann, machtman das Gitter gerade so fein, daß die Rumpfform einigermaßen vernunftig wiedergegeben wird und imubrigen die Imperfektionen der Theorie so weit wie moglich verschmiert werden. Die Randbedingungfur diese Oberflachen ist, daß nichts durch sie hindurchfließen darf (kinematische Randbedingung), ander freien Wasseroberflache herrscht zusatzlich Atmospharendruck (dynamische Randbedingung). Diedynamische und die kinematische Randbedingung an der Wasseroberflache liefern einen nichtlinearenAusdruck fur das Potential φ. Dieser Ausdruck wird mit Taylor-Reihen linearisiert. Es entsteht einlineares Gleichungssystem, mit dem die Quellstarken bestimmt werden konnen. Sind diese bekannt, las-sen sich die Geschwindigkeiten und damit nach Bernoulli auch der Druck an den Kollokationspunktenberechnen. Fur die Losung des Gleichungssystems ist jedoch problematisch, daß die Kollokationspunk-te auf der freien Wasseroberflache liegen sollen, deren genaue Lage aber erst das Ziel der Rechnungist. Dementsprechend geht KELVIN von einer Naherungslosung aus und verringert iterativ den Fehler.

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Daraus ergibt sich die Verformung der Wasseroberflache und die Schwimmlage des Schiffes. Bei der Da-teneingabe wird nur die Erzeugungsvorschrift fur das Rumpf-Panelgitter hinterlegt. KELVIN erzeugtfur jeden neuen Iterationsschritt auf Basis der Ergebnisse des vorangegangenen ein neues Gitter sowohlfur den Rumpf als auch fur die verformte Wasseroberflache. Das setzt voraus, daß KELVIN die Rumpf-geometrie kennt. Das Rumpfgitter erstreckt sich dabei nur bis zur Wasseroberflache. Dies ist vor allemdann sehr praktisch, wenn starke Schwimmlagenanderungen gegenuber dem Schiff ohne Fahrt auftreten,da sonst leicht Konvergenz- und Genauigkeitsprobleme auftreten. Das endgultige Wellenbild ist meistschon nach 3-4 Iterationen erreicht. Das Abbruchkriterium fur das Iterationsverfahren ist der Durchflußpro Zeit, der sich aus der parallelen Anstromung und allen Quellen ergibt und zu Null gemacht werdenmuß.Der Wellenwiderstand des Schiffes wird mit Hilfe des Druckintegrals uber die gesamte benetzte Schiffsau-ßenhaut berechnet. Die Ergebnisse konnen durch kleine ”Locher“ im Panelgitter, die leicht an Block-grenzen auftreten, ziemlich verfalscht werden. Darauf ist bei der Panelisierung zu achten. Der Gesamt-widerstand wird von KELVIN nach der ITTC57-Reibungslinie mit der benetzten Oberflache bestimmt.

Abbildung 4: Panelgitter am Rumpf, Ausgangshohe

Abbildung 5: Panelgitter an Rumpf (grun) und bereits verformter Wasseroberflache, Ansicht schrag vonhinten

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

4 Formanderungen am Vorschiff

4.1 Schlankeres Vorschiff

Um das Gesamtsystem zu verstimmen, muß bei dieser Motoryacht die Uberlagerung des Schulterwellen-tales und des Bugwellentales vermieden werden. Um eine optimale Interferenz zwischen Bugwelle undder Welle der vorderen Schulter zu erreichen, musste der Abstand zwischen diesen beiden gerade gleichder Wellenlange λ sein. Wenn man, wie allgemein ublich, das mathematische Modell der Trochoiden-welle wahlt, so besteht folgender einfacher Zusammenhang zwischen der Schiffsgeschwindigkeit und derWellenlange:

λ =2πgv2 = 2πF 2

nL

Mit Fn = 0, 38 betragt λ ≈ 46 m. Ein solcher Abstand ist hier naturlich nicht moglich. Trotzdemsollte man die vordere Schulter so weit wie moglich nach hinten setzen, was einer Verschlankung desVorschiffes gleichkommt. Naturlich darf trotzdem der Innenraum nicht ubermaßig kleiner werden.Eine Moglichkeit, das Vorschiff schlanker zu machen, ist eine Transformation entsprechend dem Ansatz

y = y − f4(x)f5(y)f6(z)

Die Graphen fur f4, f5 und f6 werden wie folgt angenommen:

Abbildung 6: Graphen der Verzerrfunktionen zur Verschlankung des Vorschiffes

Dabei stellt f6 sicher, daß sowohl die Flachkielbreite als auch die Deckskontur erhalten bleibt. Wennman f4 entsprechend variiert, kann man ganz bestimmte Wasserliniencharakteristiken erzielen. Ziel ist,die Wasserlinien zwischen den Spanten 14 und 19 gerade bis leicht konkav zu gestalten. Bei x = 11 mliegt in etwa die vordere Schulter, die durch die Verzerrung gerade gezogen wird. Da f4 bei x = 0 miteiner horizontalen Tangente einlauft, wird sichergestellt, daß der Ubergang zum Hinterschiff weiterhinstrakt. Die Werte 0,2 m, 0,5 m und 0,7 m wurden willkurlich, aber nach einem Blick auf den Generalplanausgewahlt. Von der Verzerrung sind im wesentlichen nur Tanks und Crewraume betroffen, ein Einzugder Wasserlinie um 70 cm ist zwar schon eine ganze Menge, aber durchaus denkbar. Das betroffeneTankvolumen betragt lediglich etwa 10 m3. Die veranderte Lage der vorderen Schulter bzw. die Lagedes erzeugten Wellentales (was entscheidender ist) kann man anhand der resultierenden Wellenbilderund der Druckverteilung auf der Außenhaut gut erkennen:

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Abbildung 7: Wellenbilder und Druckverteilung der Rumpfvariationen 1.1 - 1.3

Anhand der Druckverteilung kann man uberdies sehen, daß das Unterdruckgebiet am Boden zwaretwas schlimmer wird, allerdings nur geringfugig. Die am meisten eingezogene Variante ist prinzipiell diebeste. Nach der Transformation muß man nun noch den Strak korrigieren, da zum einen nur die Orteder Netzpunkte verandert werden, aber nicht die Winkel, und zum anderen eine solche Transformationnur ein relativ grobes Werkzeug darstellt, mit dem man aber schnell in die Nahe des gewunschten Zielesgelangt. Dies sieht man auch an der Druckverteilung in Abbildung 8, denn das Unterdruckgebiet an derRumpfseite hat zwei Maxima. Diese sind auf ungleichmaßige Krummung der Außenhaut zuruckzufuhrenund werden also nachfolgend korrigiert. Die Strakkorrektur bringt weitere Verbesserungen, da dann dievordere Schulter, die sich ja nun weiter hinten befindet als zuvor, weicher wird (vgl. S.4). Dadurch wirddie Tiefe des Wellentals weiter vermindert:

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Abbildung 8: Wellenbild und Druckverteilung der Rumpfvariation 1.3 nach der Strakkorrektur

Eine weitere, sehr einfache Methode zur Verschlankung des Vorschiffs kann man daruber hinausleicht durchfuhren, indem man das Ausgangsschiff ab Spt. 41 (d.h. ohne paralleles Mittelschiff) durcheine affine Verzerrung in x-Richtung wieder auf die volle Lange des Vorschiffs streckt. Der Vorteil ist dieeinfache Durchfuhrbarkeit dieser Methode und daß das Ergebnis gleich gut strakt (jedenfalls, wenn derAusgangsrumpf gut strakte), der Nachteil, daß sich auch Decks- und Seitenkontur verzerren. Dies istaber nachfolgend ohne viel Aufwand wieder zu korrigieren. Diese Formvariation ist in etwa gleichwertigmit Rumpfversion 1.3 und erzeugt folgendes Wellenbild:

Abbildung 9: Wellenbild und Druckverteilung der Rumpfvariation 1.4

Als Ergebnis fur die Verschlankung des Vorschiffes kann man daher nennen:

• es ist sinvoll, das Vorschiff schlanker zu machen.

• das verlorengegangene Deplacement halt sich in Grenzen. Der Verdrangungsverlust, der naturlichin einem spateren Schritt durch einen Bugwulst und eine kleinere Aufkimmung wieder ausgeglichenwerden wird, betragt nur etwa 60 t.

• die Anfangsstabilitat wird durch das kleinere Wasserlinientragheitsmoment geringfugig kleiner,das Wetterkriterium wird aber noch eingehalten.

Es wird nun aufbauend auf der Rumpfvariante 1.3 versucht, mit Hilfe eines Bugwulstes die Hohe derBugwelle entscheidend zu vermindern.

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

4.2 Bugwulst

Prinzipiell gibt es zwei verschiedene Sorten von Bugwulsten (siehe auch [KRUE01]). Beide haben dieAufgabe, die Bugwellenhohe zu vermindern, tun dies aber auf eine unterschiedliche Art und Weise.Die sogenannten Verdrangungswulste basieren vor allem darauf, Verdrangung aus Bereichen, wo sieWellentaler verursacht (vordere Schulter) an eine Stelle zu verlagern, wo sie etwas weniger Schadlichesbewirkt, also in den Bugwulst. Der Bugwulst verandert massiv die Druckverhaltnisse am Bug. DerUberdruck am Vorsteven nimmt ab und konzentriert sich auf einen kleinen Bereich am Bugwulst, derdann moglichst wenig Normalenvektoranteil in Fahrtrichtung haben sollte. All dieses passiert bei densogenannten Abstromwulsten auch, aber zusatzlich werden diese so gestaltet, daß auf der Oberseite desWulstes ein Unterdruckfeld entsteht, das durch seine Sogwirkung die Bugwelle noch weiter verringert.Zusatzlich wird versucht, der Schiffsumstromung hinter dem Bugwulst eine Abwartskomponente zugeben, wodurch die Bugwelle noch niedriger auflaufen soll.Die Querschnittsform ist bei typischen modernen Bugwulsten ein auf den Kopf gestellter Tropfen. DieQuerschnittsflache liegt im allgemeinen bei 6 - 11 % der Hauptspantflache, die Lange etwa bei 4 -4,5 % der Wasserlinienlange. Bei großen Froudezahlen (etwa Fn > 0, 3) wurden gute Ergebnisse mitnoch langeren Bugwulsten erzielt [KANE02]. In diesem Fall wird der Bugwulst fur den 50%-Ladefall(Designtiefgang) konzipiert. Er funktioniert auch bei anderen Ladezustanden, dann aber nicht mehr sogut.Die erste Bugwulstversion Rumpf 2.1 ist ein reiner Verdrangungwulst. Seine Lange betragt 3,60 m(≈7,1% LCWL) und diente zunachst einmal zum reinen Ausformen eines Bugwulstes und Uberprufungder Verdrangungs- und LCB-Differenz. Bei heutigen großeren Motoryachten sind solche Bugwulsteschon anzutreffen. Wie Abbildung 10 zeigt, beseitigt aber selbst dieser relativ einfache Bugwulst schoneine ganze Menge der Bugwelle im Nachlauf:

Abbildung 10: Wellenbild und Druckverteilung der Rumpfvariation 2.1

Als nachstes soll der Rumpf 1.3 mit einem Abstromwulst versehen werden. Um bei einem Ab-stromwulst ein vernunftiges Unterdruckfeld auf der Wulstoberseite zu bekommen, und zwar moglichstnah am Vorsteven bei der Rumpfbugwelle, muß der Bugwulst tendenziell folgende Form haben:

Abbildung 11: Abstromwulst

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

In den Vorschiffvariationen 2.1.5 - 2.4 werden nun verschiedene Abstromwulstvariationen getestet,die sich im wesentlichen durch ihre Lange unterscheiden. Ihre Querschnittsflache betragt ungefahr 9 %der Hauptspantflache. Die Lange betragt 4,5 %, 7,1 %, 9,5 % und 11,8 % der Wasserlinienlange. Dieshort sich verglichen mit den oben angefuhrten Richtwerten recht viel an, ist aber, wie die Druckverteilungam Bugwulst und vor allem die Wellenbilder zeigen, nicht ubertrieben:

Abbildung 12: Wellenbild und Druckverteilung der Rumpfvariationen 2.1.5 - 2.4

Der kurzeste Bugwulst bewirkt zwar bereits einen gewissen Ruckgang der Bugwelle (vgl. mit Rumpf

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

1.3, unterstes Bild in Abbildung 8), diese wird aber durch die beiden langeren Bugwulste noch einmaldeutlich niedriger und lauft vor allem nicht mehr so steil auf. Der Unterschied ist zwischen Rumpf 2.4und 2.3 allerdings bereits nicht mehr so stark wie zwischen 2.3 und 2.2, so daß angenommen werden muß,daß sich dieser Effekt mit zunehmender Bugwulstlange abschwacht. Es ist auch deutlich zu erkennen,daß dadurch (und durch die geringere Verdrangung des Bugwulstes) der kurzere Bugwulst bei freiemTrimm und Tauchung tiefer unter der Wasseroberflache ist als notwendig. Je kurzer der Bugwulst, um-so hoher mußte er also beim Schiff ohne Fahrt aus dem Wasser ragen. Grenzen fur die Bugwulstlangesind Festigkeit, Seegang, die Verschlechterung der Manovrierfahigkeit durch Vergroßerung der Late-ralflache vorn sowie die Erhohung des Reibungswiderstandes durch die Vergroßerung der benetztenOberflache. Diese ist vor allem auch deswegen ungunstig, weil im Unterdruckfeld des Bugwulstes hoheStromungsgeschwindigkeiten auftreten. Allerdings ist die Verminderungs des Wellenwiderstandes beieinem gut funktionierenden Bugwulst uberproportional hoher als die Vergroßerung des Reibungswider-standes durch die Oberflachenzunahme. Bei einer Yacht muß zudem nicht nur auf die Funktionalitatgeachtet werden, auch das Aussehen spielt hier eine große Rolle, umso mehr, als Bugwulste bei Yachtenunter ca. 70 m Lange noch recht unublich sind.In Anbetracht all dieser Uberlegungen wird die Rumpfvariation 2.3 weiter verwendet.Mit ihr sollen erst einmal noch mehrere verschiedene Bugwulst-Querschnittsflachen untersucht wer-den. Die Breite des Wulstes ist hier jedoch begrenzt durch die Lage der Ankerklusen (vgl. 2.1). DieRumpfversion 2.5 hat 13,5 % der Flache des Hauptspants, die Rumpfversion 2.6 6,5%.

Abbildung 13: Wellenbild und Druckverteilung der Rumpfvariationen 2.5 - 2.6

Wenn man sich die Wellenbilder und die Druckverteilung dieser Bugwulstvariationen ansieht, wirddeutlich, daß das Volumen des Bugwulstes eher großer als kleiner sein sollte. Dies gilt allerdings vorallem fur den untersuchten Typ des Abstromwulstes, da das Unterdruckgebiet auf der Wulstoberseitebei großem Wulstvolumen großer und starker gemacht werden kann. Außer der bereits erwahnten Lageder Ankerklusen wird die Breite (und damit das Volumen) des Bugwulstes noch wiederum durch dieVergroßerung der benetzten Oberflache und das Verhalten im Seegang begrenzt. Im direkten Vergleichzwischen Version 2.3 und 2.5 kann man aber auch erkennen, daß auch andere Charakteristika eine Rollespielen. Dies wird an den folgenden Bildern besonders deutlich:

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Abbildung 14: Variationen 2.3 und 2.5 im direkten Vergleich

Das Uberdruckgebiet am Vorsteven und besonders auf der Oberseite des Bugwulstes dort, wo er anden Vorsteven stoßt, ist beim breiten Bugwulst der Rumpfvariante 2.5 (rechtes Bild) deutlich großer.Das liegt daran, daß der Bugwulst beim Ubergang in den Rumpf zu stark eingeschnurt wird.Der Test eines Bugwulstes mit 9% AM Querschnittsflache und einer Lange von 10,8 % LCWL an derRumpfversion 1.4 bringt noch bessere Ergebnisse. Die Zusammenwirkung dieser Rumpfversion mit demBugwulst beseitigt sogar noch mehr Wellen als ein noch langerer Bugwulst an Rumpf 1.3 (vgl. mitAbbildung 12 unterstes Bild):

Abbildung 15: Wellenbild und Druckverteilung der Rumpfversion 2.7

Zwar sind die Querwellen im Nachlauf etwas hoher, ebenso die langslaufenden Heckwellen. Es istaber wichtiger, furs erste die Langswellen moglichst weitgehend zu verringern. Denn die Querwellenlassen sich spater durch geeignete Maßnahmen am Hinterschiff relativ einfach bekampfen (Staukeil).Damit ist die Gestaltung des Bugwulstes abgeschlossen. Die weiteren Formanderungen werden mitRumpfvariante 2.7 fortgefuhrt.Anstatt den Bugwulst an seiner Oberseite in den Rumpf einzustraken, ist es - auch fertigungstechnisch- viel einfacher, dort einen Knick zuzulassen, der auf einer Lange von 2 m allmahlich in den Rumpfeinlauft. Der Knick sollte moglichst genau in Stromungsrichtung gelegt werden. Um dies zu uberprufen,muß man die Geometrie des Berechnungsnetzes, die diesen Knick genau wiedergibt (rot gestrichelt imfolgenden Bild), zusammen mit der Stromungsrichtung betrachten:

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Abbildung 16: Verlauf des Knicks an der Oberkante des Bugwulstes

Eine Uberprufung der Randbedingungen gibt folgende Ergebnisse:

• die Verdrangung ist um 41 m3 (5,1 %) kleiner geworden als die des Ausgangsrumpfes. Der Auf-triebsschwerpunkt hat sich um 34 cm (1,4 %) nach hinten verschoben. Letzteres wird sich aberohne Schwierigkeiten durch die noch folgenden Formanderungen im Hinterschiff wieder ausglei-chen.

• das Wetterkriterium wird immer noch eingehalten.

Es wird nun versucht, die Verdrangung wieder auf den Ausgangswert zuruckzubekommen, indem dieAufkimmung verringert wird.

4.3 Aufkimmung

Die Aufkimmung des Ausgangsschiffes betragt am Hauptspant etwa 11 Grad. Die Aufkimmung wirdnun schrittweise heruntergesetzt, bis die Ausgangsverdrangung zuzuglich einer Marge von 30 m3 furdie Formanderungen im Hinterschiff wieder erreicht wird. Weiterhin wurde der durch die affine Ver-zerrung der Rumpfversion 1.4 verfalschte Steven wieder auf die vorherigen Werte zuruckgestellt. DieseMaßnahmen fuhren zur Rumpfversion 3, deren Wellenbild nachfolgend dargestellt ist:

Abbildung 17: Wellenbild und Druckverteilung der Rumpfvariation 3

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Im Vergleich zur Ausgangsversion (vgl. Abb. 3) hat sich das Unterdruckgebiet am Boden aufgrundder geringeren Aufkimmung etwas verstarkt. Durch die nun hoheren Stromungsgeschwindigkeiten in die-sem Bereich verliert die Stromung aufgrund der Reibung mehr Energie, was die Gefahr von Ablosungenbei Spt. 5 vergroßert. Da der Maschinenraum nicht kleiner werden darf und die Lage des Maschinen-raumfrontschotts unverandert bleiben soll, ist es nur moglich, diese Ecke zu entscharfen, wenn man denBoden hinter Spt. 7 leicht herabzieht (mehr als im Rahmen der Aufkimmungsverkleinerung) und soversucht, die Schnitte im vorderen Bereich des Hinterschiffes etwas flacher zu fuhren. Dies dient dazu,den Druckgradienten dort zu verkleinern und so der gestiegenen Ablosungsgefahr zu begegnen. DerMaschinenraum wird dadurch leicht großer, was kein Problem darstellen sollte. Die Sogziffer durfte al-lerdings durch einen etwas steileren Schnittverlauf bei Spant 4 etwas großer werden, dieser Effekt solltesich aber in Grenzen halten, da der Propeller noch recht weit weg von dieser Stelle ist. Er kann sicherlichauch noch weiter nach hinten dichter ans Ruder gesetzt werden (das Manovrierverhalten wurde davonvielleicht sogar profitieren), dann ware aber vermutlich ein weiterer Wellenbock notwendig.Das Wetterkriterium wird immer noch knapp eingehalten. Der Flossenstabilisator paßt an die Kimm,alle anderen Randbedingungen sind ebenfalls erfullt.Wie in Abbildung 17 zu sehen ist, sind die Langswellen deutlich geringer als beim Ausgangsrumpf (vgl.Abb. 2). Nun soll nachfolgend versucht werden, auch das Querwellensystem mit Hilfe eines Staukeilsund einer verringerten Spiegeltauchung zu vermindern.

5 Formanderungen am Hinterschiff

Da eine der Randbedingungen war, den Maschinenraum in Große und Lage unverandert zu lassen, ist esleider kaum moglich, die Schnitte im Hinterschiff flacher laufen zu lassen. Daher konnen die Querwellennur wirksam mit Hilfe eines Staukeils bekampft werden. Naturlich wirken sich Veranderungen hier uberTrimm und Tauchung auch wieder auf die Langswellen aus, so daß moglicherweise hinterher ein erneuterDurchgang fur das Vorschiff notwendig werden kann.Die Trennstelle zwischen Vor- und Hinterschiff liegt bei Bauspt. 33. Hier (oder etwas davor) ist es auchmoglich, zusatzliches paralleles Mittelschiff zur Rumpfverlangerung einzufugen. Kurzer machen kannman das Schiff hier aber nicht.

5.1 Spiegeltauchung

Generell ist ein getauchter Spiegel immer dann ungunstig, wenn an der Hinterkante kein saubererStromungsabriß erfolgt. Dies ist vor allem bei geringen Geschwindigkeiten der Fall. Dann ist aberder Einsatz potentialtheoretischer Methoden ohnehin weniger sinnvoll, da der Reibungsanteil am Ge-samtwiderstand groß ist (vgl. Abschnitt 3).Bei hoheren Geschwindigkeiten (etwa Fn > 0, 3) liegt aber, eine einigermaßen vernunftige Rumpfformvorausgesetzt, im allgemeinen ein sauberer Stromungsabriß vor, zumindest wenn die Spiegeltauchungnicht zu groß ist. KELVIN setzt immer eine glatte Abflußbedingung an der Spiegelunterkante an. Des-halb kommt man auch nur in solchen Fallen zu sinnvollen Ergebnissen, bei denen auch in Wirklichkeitein glatter Abfluß vorliegt. Dennoch kann es hier auch leicht zu numerischen Schwierigkeiten kommen,wenn z.B. die Spiegeltauchung ungefahr gleich Null ist. Oft hilft es hier, das Oberflachennetz hinterdem Schiff einfach kurzer zu machen (siehe auch Abb. 18, rechtes Bild).Die Spiegeltauchung beim Ausgangsrumpf betragt etwa 80 cm. Nachfolgend wurde die Spiegeltauchungmit Hilfe einer Transformation ausgehend von Rumpf 3 auf 40 cm und auf Null gesetzt. Die Wellenbilderfur diese beiden Versionen sind nachfolgend abgebildet:

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Abbildung 18: Wellenbilder der Rumpfvariationen 3.1 und 3.2

Die Querwellen der beiden Variationen unterscheiden sich nicht wesentlich von denen der Rumpfver-sion 3 (Spiegeltauchung = 80 cm). Eher lauft das Querwellensystem beim weniger getauchten Spiegeletwas hoher auf, was auch logisch erscheint, da der Schnittverlauf steiler geworden ist. Außerdem istdeutlich zu erkennen, daß sich die Langswellen durch einen etwas weniger vorlichen Trimm verschlech-tern. Bei Rumpf 3.2 taucht sogar der Bugwulst aus. Hierfur hat KELVIN eine stabile Schwimmlagegefunden, obwohl ein teilgetauchter Wulst fur die Potentialtheorie eigentlich nicht geeignet ist und esdabei leicht zu numerischen Problemen kommen kann.Je weiter der Spiegel ausgetaucht ist, umso ausgepragter wird auch die langslaufende Heckwelle.

5.2 Staukeil

Alle drei Spiegelvariationen bekommen nun einen Staukeil mit etwa folgenden Dimensionen:

Abbildung 19: Staukeilgeometrie

Der Staukeil dient zum einen dazu, das hinten weniger verdrangende Schiff (wegen der vermindertenSpiegeltauchung) wieder korrekt zu trimmen (daher auch die engl. Bezeichnung ”trim wedge“), und zumanderen, die Hohe des Querwellensystems hinter dem Schiff zu verringern, indem dem Spiegelabstromeine Abwartskomponente gegeben wird. Außerdem tragt der Staukeil auch dazu bei, daß die Stromungam Spiegel auch bei geringerer Fahrt leichter abreißt, da sie durch den Staukeil vor der Spiegelkantebeschleunigt wird.Der Staukeil muß nicht durchgestrakt sein, sondern kann auch einfach mit einem Knick an den flachen

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Boden vor dem Spiegel anschließen. Es ware auch denkbar und moglicherweise sinnvoll, das Schiff ander Wasserlinie geringfugig nach hinten zu verlangern (”duck tail“), um großere Staukeilabmessungenunterzubringen.Die drei unterschiedlichen Spiegeltauchungen (80 cm, 40 cm, 0 cm) mit Staukeil bringen folgende Wel-lenbilder:

Abbildung 20: Wellenbilder der Rumpfversionen 3.3 - 3.5

Die Querwellen werden, wie schon bei den Hinterschiffen ohne Staukeil festgestellt, mit abnehmenderSpiegeltauchung hoher. Dieser Effekt ist zwar nicht sehr stark, das Schiff scheint aber nach einer gewissenSpiegeltauchung zu verlangen. Der Druckverlauf am Rumpf sieht dabei wie folgt aus:

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Abbildung 21: Druckverteilung am Staukeil (Rumpf 3.4)

In Abb. 21 ist deutlich das Uberdruckgebiet vor dem Staukeil zu erkennen, auch wenn es bei 10◦ Stau-keilneigung noch nicht sehr stark ausgepragt ist. In Schleppversuchen wurde festgestellt, daß der Effektder Staukeilneigung im CFD ubertrieben wird, d.h. daß in Wirklichkeit eine starkere Staukeilneigungmoglich und notwendig ist. In Abbildung 21 sieht man, wie die Stromung am Rumpf schrag uber dieKimm leicht nach innen lauft, um den Staukeiltunnel aufzufullen. Dies ist ungunstig zum einen wegender starken Krummung, die die Stromung uberwinden muß, zum anderen wird die Propellerzustromungverschlechtert. Um dies zu vermeiden und um die Hohe der langslaufenden Heckwelle zu vermindern,wird nachfolgend die Spiegelecke weiter heruntergezogen und der Kimmradius dort verkleinert.

Abbildung 22: Modifikation von Rumpf 3.4 (grun) mit ausgefullter Spiegelecke (Rumpf 3.6, rot)

Dies bringt außerdem noch den Vorteil, daß die wirksame Breite des Staukeiles vergroßert wird undder Verdrangungsschwerpunkt, der bei der verminderten Spiegeltauchung etwas nach vorne gerutschtwar, wieder ein bißchen nach hinten wandert. Der daraus entstandenen Rumpfe 3.6 und 3.7 bringenfolgende Wellenbilder:

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Abbildung 23: Wellenbild der Rumpfversionen 3.6 und 3.7

Anhand dieses Wellenbild laßt sich erkennen, daß zwar die Spiegelecke ganz gut aufgefullt ist, dieseAuffullung aber noch ein bißchen weiter nach vorn gezogen werden sollte, da dort die langslaufendeHeckwelle noch nicht kleiner geworden ist. Bei Rumpf 3.7 hat sich im Gegensatz zum Rumpf 3.6 die Hohedes ersten Querwellenbergs massiv verringert. Dieser Effekt soll noch einmal in zwei Rumpfvariantengetestet werden, die auf den Rumpfversionen 3.6 und 3.7 basieren (also mit ausgefullter Spiegelecke),aber eine starkere Staukeilneigung von 15◦ haben:

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Abbildung 24: Wellenbild der Rumpfversionen 3.8 und 3.9

Auch hier ist es so, daß die Rumpfform mit der geringeren Spiegeltauchung einen weit niedrige-ren ersten Querwellenberg macht als die Rumpfversion 3.8. Im Nachlauf, d.h. im darauffolgenden Talund dem nachsten Berg sind die Unterschiede allerdings bei weitem nicht mehr so stark. Außerdembedeutet weniger Spiegeltauchung nach wie vor eine deutliche Vergroßerung des langslaufenden Heck-wellensystems. Weiterhin ist es so, daß beim vorliegenden Yachtrumpf im Heckbereich wegen der dortbefindlichen Beibootsgarage sehr wenig Platz vorhanden ist.Daher werden fur die endgultige Rumpfversion folgende Anderungungen durchgefuhrt:

• die Spiegeltauchung wird auf 30 cm verringert bei einer Staukeilneigung von 15◦. Dies durftesinnvoll fur das gunstigste Verhaltnis zwischen Hecklangswellen und -querwellen sein. Außerdemdient diese Modifikation der Feineinstellung der Verdrangung.

• die Kimm vor dem Spiegel wird noch weiter aufgefullt.

Das Wellenbild und die Druckverteilung am Rumpf fur die endgultige Version sehen damit wie folgtaus:

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Abbildung 25: Wellenbild und Druckverteilung der “final version“

Nach der Widerstandsberechnung von KELVIN wurde der Gesamtwiderstand um ca. 30 kN verrin-gert. Dieses Ergebnis ware selbstverstandlich noch in Modellversuchen zu validieren. Das Wetterkri-terium wird ganz knapp eingehalten, die Restflache betragt 0,001 mmrad. Wenn man die Flache derStabilisatoren als Schlingerkielflache mit einrechnet (oder tatsachlich Schlingerkiele einbaut), durfte esuberhaupt kein Problem sein, auch ohne den Gewichtsschwerpunkt niedriger zu legen die Bestimmungeneinzuhalten.

Abbildung 26: Linienriss der “final version“

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

6 Manovrieren

Die Schlußversion durfte gegenuber dem Ausgangsrumpf auf Grund der hinzugekommenen Lateralflachedes Bugwulstes an Gierstabilitat verloren haben. Diese Vermutung soll hier abschließend untersucht wer-den.Um die Gierstabilitat und die Manovriereigenschaften vergleichen zu konnen, wurden zwei 50%-Ladefallegeneriert, die fur gleichen Trimm und Tiefgang sowohl des Ausgangsrumpfes als auch der Schlußversionsorgen. Fur beide Rumpfe wurden zwei Manover simuliert, zum einen der 10/10-Zick-Zack-Versuchentsprechend der IMO-Resolution A.751 (18) und zum anderen der Williamson-Turn. Die Ausgangs-geschwindigkeit war jeweils 16 kn. Der Einfluß der Oberwasserlateralflache (Wind) wurde dabei nichtberucksichtigt.Um Manoversimulationen durchfuhren zu konnen, werden Ruder- und Propellerdaten benotigt. Diesewaren nicht im Detail verfugbar, die getroffenen Annahmen duften aber recht gut sein.

Abbildung 27: Bahnverlaufe fur Schlangelversuch (oben) und Williamson-Turn

Als Ergebnisse des Zick-Zack-Versuchs kann man feststellen:

• Beide Schiffe haben ein gutes Andrehvermogen und liegen damit weit unter dem von der IMOgeforderten Hochstwert. Die Schlußversion ist dabei etwas schlechter als der Ausgangsrumpf wegender vorn hinzugekommenen Lateralflache des Bugwulstes.

• Die Uberschwingwinkel liegen innerhalb der IMO-Grenzwerte. Die Stutzfahigkeit der Schiffe istalso ausreichend. Die der Schlußversion ist dabei ein wenig schlechter als die des Ausgangsrumpfes.

• Daß die Schlußversion weniger Drehvermogen hat als der Ausgangsrumpf, bedeutet nicht automa-tisch, daß ihre Gierstabilitat besser ist.

Beim Williamson-Turn wurden die Schiffe aufgrund der Kursanderungswinkel bewertet, bei denen zumErreichen des eigenen Kielwassers die Hartruderlage bzw. die Mittschiffsruderlage notwendig ist. Ausdiesem Manovrierversuch kann man folgende Schlußfolgerungen ableiten:

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

• Das Andrehverhalten beider Schiffe ist beinahe gleichwertig, das der Schlußversion minimal schlech-ter als beim Ausgangsrumpf. Das Ergebnis des Zick-Zack-Versuchs wird damit bestatigt.

• Die Gierstabilitat der Schlußversion ist eindeutig schlechter als beim Ausgangsrumpf. Allerdingstritt auch bei hohen Geschwindigkeiten noch keine Gierinstabilitat auf.

Zu verbessern ist also im wesentlichen das Kurshaltevermogen der Schlußversion. Falls dann - wasaber unwahrscheinlich erscheint - die Forderungen bezuglich des Drehvermogens nicht mehr eingehaltenwerden sollten, muß uber ein verbessertes Ruder mit hoheren Auftriebsbeiwerten nachgedacht werden.Als einfache Maßnahme wurde der Skeg an der Schlußversion bis ganz nach hinten gezogen. Bereitsdamit verbessert sich die Gierstabilitat erheblich.

7 Schlußfolgerungen, Ergebnis und Ausblick

Mit Hilfe der modernen CFD-Technologie war es durchaus moglich, den Widerstand der Motoryacht zureduzieren. Es konnen im Unterschied zum Modellversuch sehr viele verschiedene Formvariationen aus-probiert und untersucht werden. Mit Hilfe systematischer Formvariationen kann man Trends aufzeigen,wie sich bestimmte Parameter einer Rumpfform, z.B. die Wulstbuglange oder der Staukeilwinkel, aufden Widerstand auswirken.Auch wenn viskose Effekte mit potentialtheoretischen Methoden nicht erfaßt werden, konnen doch im-merhin Voraussagen getroffen, wie sich bestimmte Formanderungen auch auf den Reibungswiderstandauswirken. So ist es z.B. moglich, Unterdruckfelder am Rumpf weitgehend zu beseitigen und steileDruckgradienten abzubauen.In Abb. 5 sieht man, daß die Anzahl der Paneele und damit der Kollokationspunkte bei ausreichenderRechengenauigkeit bereits ziemlich groß ist. Trotzdem geht die Berechnung relativ schnell (ca. 15-20Min. auf einer HP J2240-Workstation), es konnen bei einiger Ubung sicherlich 6 - 8 Formvariationen proTag untersucht werden. In Anbetracht der Tatsache, daß bei viskosen Rechnungen (RANSE-Methoden)allein die Gittergenerierung mehrere Tage dauert, ist CFD mit potentialtheoretischen Methoden einsehr Kosten-Nutzen-gunstiges Werkzeug im Schiffsentwurf.Allerdings benotigt man doch einige Erfahrung, um die Ergebnisse richtig interpretieren zu konnen.Vergleiche mit Modellversuchen und gebauten Schiffen sind gerade hier sehr wertvoll, um vernunftigmit CFD arbeiten zu konnen.Die absoluten Ergebnisse der Berechnungen sind mit Vorsicht zu genießen. Sie hangen vor allem vonder Struktur des Panelgitters ab. Eine großere Anzahl an Iterationsschritten hat fast keinen Einflußauf die Genauigkeit der Ergebnisse. Daher muß man darauf achten, daß man alle Rumpfvariationenmit einem vergleichbaren Gitter berechnet. Dann lassen sich die Ergebnisse zumindest qualitativ gutvergleichen. Mit der endgultigen Rumpfversion sind aber auf jeden Fall Modellversuche durchzufuhren,die zum einen eine sichere quantitative Bestimmung des Gesamtwiderstandes und zum anderen eine Un-tersuchung der Ablosung an den kritischen Stellen erlauben. Schleppversuche lassen sich mit Hilfe vonCFD also (noch?) nicht ersetzen, das zu schleppende Modell hat aber durch den Einsatz numerischerStromungsmechanik einen weit besseren Voroptimierungsgrad.Tatsachlich ist es aber sehr schwierig, wirklich die beste Rumpfform fur eine bestimmte Vorgabe, d.h. fureine Transportaufgabe unter gegeben Randbedingungen zu finden, da es so viele verschiedene Moglich-keiten gibt und sehr viele Parameter, die man verandern kann, aber bei denen die Folgen der Verande-rungen gar nicht unmittelbar absehbar sind.

Noch einmal mochte ich betonen, daß es sehr viel Spaß gemacht hat, mit vernunftigen Unterlagen zuarbeiten. Die Firma Abeking & Rasmussen war sehr hilfreich bei der Bereitstellung aller notwendigenInformationen, der zu digitalisierende Linienriß war erstklassig.Ich mochte Prof. Dr.-Ing. Stefan Kruger am Arbeitsbereich 3-14 und Dipl.-Ing. Michael Luhder vonA & R herzlich danken, daß sie mir diese interessante und lehrreiche Aufgabe ermoglicht und michhervorragend betreut haben.

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

8 Ubersicht uber die Formvariationen

Rumpfversion Hull Domains BemerkungenVorschiff Hinterschiff

Ausgangsrumpf Langes Vorschiff Aftbody, symmetric Hinterschiff geht bis Spt. 33, die HullDomain

”Forebody, symmetric“ be-

ginnt bei Spt. 41. Fur den Ausgangs-rumpf wurde die Lucke mit einem par-allelen Mittelschiff gefullt, so entstanddie Hull Domain

”Langes Vorschiff“

Rumpfversion 1.1 Vorschiff Testrumpf41 Aftbody, symmetric Die Hull Domain “Langes Vorschiff“wurde mit Hilfe einer selbstdefiniertenTransformation um max. 0,2 m schlan-ker gemacht.

Rumpfversion 1.2 Vorschiff Testrumpf42 Aftbody, symmetric wie Rumpfversion 1.1, aber max. 0,5 mschlanker.

Rumpfversion 1.3 Vorschiff Testrumpf43 Aftbody, symmetric wie Rumpfversion 1.1, aber max. 0,7 mschlanker.

Rumpfversion 1.4 Vorschiff Version1 Aftbody, symmetric Schlankes Vorschiff, ist entstandendurch eine affine Verzerrung des kurz-en Vorschiffes (ohne parallelem Mittel-schiff, s.o.) zur vollen Lange des Vor-schiffes

Rumpfversion 2.1 Vorschiff Testrumpf21 Aftbody, symmetri ausgehend von Rumpversion 1.3, mit0, 71CWL-Bugwulst, Verdrangungs-wulst

Rumpfversion 2.15 Vorschiff Testrumpf525 Aftbody, symmetri mit 0, 045CWL-Bugwulst, Ab-stromwulst

Rumpfversion 2.2 Vorschiff Testrumpf22 Aftbody, symmetric mit 0, 071CWL-Bugwulst, Ab-stromwulst

Rumpfversion 2.3 Vorschiff Testrumpf23 Aftbody, symmetric mit 0, 095CWL-Bugwulst, Ab-stromwulst

Rumpfversion 2.4 Vorschiff Testrumpf24 Aftbody, symmetric mit 0, 118CWL-Bugwulst, Ab-stromwulst

Rumpfversion 2.5 Vorschiff Testrumpf25 Aftbody, symmetric wie Rumpfversion 2.3, aber mitBugwulst-Querschnittflache 0, 135AM

Rumpfversion 2.6 Vorschiff Testrumpf252 Aftbody, symmetric wie Rumpfversion 2.3, aber mitBugwulst-Querschnittflache 0, 065AM

Rumpfversion 2.7 Vorschiff Testrumpf253 Aftbody, symmetrisch Abstromwulst mit 9% AM Quer-schnittsflache und 10,8% LCWL Langean der Rumpfversion 1.4

Rumpfversion 3 Vorschiff Version2.6 Hinterschiff Version2.5 wie 2.7, aber mit weniger Aufkim-mung, um verlorene Verdrangung wie-derzugewinnen, und dem ursprungli-chen Stevenausfall (dieser war durchdie Verzerrung, aus der Rumpfversion1.4 entstand, verloren gegangen).

Rumpfversion 3.1 Vorschiff Version2.9.1 Hinterschiff Version2.9.1 wie 3, aber nur mit 0,4 m Spiegeltau-chung (vorher 0,8 m)

Rumpfversion 3.2 Vorschiff Version2.9.2 Hinterschiff Version2.9.2 wie 3, aber ohne getauchten SpiegelRumpfversion 3.3 Vorschiff Version2.6 Hinterschiff Dokurumpf3.3 wie 3, aber mit StaukeilRumpfversion 3.4 Vorschiff Version3.1 Hinterschiff Version3.1 wie 3.1, aber mit StaukeilRumpfversion 3.5 Vorschiff Version3.1 Hinterschiff Version3.2 wie 3.2, aber mit StaukeilRumpfversion 3.6 Vorschiff Version3.1 Hinterschiff Version3.1.2 wie 3.4, aber mit ausgefullter EckeRumpfversion 3.7 Vorschiff Version3.1 Hinterschiff Version3.2.2 wie 3.5, aber mit ausgefullter EckeRumpfversion 3.8 Vorschiff Version3.1 Hinterschiff Version3.2 wie 3.6, aber mit Staukeilneigung 15◦

Rumpfversion 3.9 Vorschiff Version3.1 Hinterschiff Version3.1.2 wie 3.7, aber mit Staukeilneigung 15◦

Endversion Vorschiff Final Hinterschiff Final wie 3.8, aber Spiegeltauchung nur 30cm, Ecke mehr aufgefullt, bessererStrak

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25

Linienoptimierung einer großen Motoryacht 29. Januar 2003

Literatur

[KRUE02] Stefan Kruger: Stromungsmechanische Grundlagen zum Glattwasserwiderstand, Ham-burg 2002 (Vorlesungsmanuskript)

[KRUE01] Stefan Kruger: Schiffsformentwurf mit CFD, Hamburg 2001 (Vorlesungsmanuskript)

[JENS94] Gerhard Jensen: Moderne Schiffslinien, aus: Handbuch der Werften XXII, Hamburg 1994

[KANE02] Markku Kanerva: The Application of “Through Life Engineering“ in RoRo-Construction,Lloyd’s List Events 2002

[BERT91] Volker Bertram: CFD im Schiffbau, aus: Handbuch der Werften XIX, Hamburg 1991

[BUSC90] Stephan Busch: Numerische Berechnung des Wellenwiderstandes eines schnellen Sportboo-tes, Hamburg 1990 (Diplomarbeit)

[SOED95] Heinrich Soding: Manovrieren von Schiffen, Hamburg 1995 (Vorlesungsmanuskript)

[KRMA01] Stefan Kruger: Manovrieren und Manovrierorgane, Hamburg 2001 (Vorlesungsmanuskript)

[E4DOKU] Dokumentation zu E4, Flensburg 1994 - 2002

Jan Steinmetz (TUHH)/home0/e4/sources/

[email protected]/25


Recommended