Schiffbau (Fach) / Schiffsdynamik (Lektion)

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• Was heißt LES? Large Eddy Simulation
• Was erfolgt beim LES-Verfahren? Die Mittlung der vernachlässigbar kleinen Schwankungsgrößen erfolgt erst für sehr kleine Wirbelstrukturen. Mittlere Wirbelstrukturen werden von dem Verfahren berücksichtigt. Die Erfassung der Wirbelstrukturen erfordert deutlich feinere Rechengitter.
• Wie werden die verschiedenen Verfahren häufig gekoppelt? Zum beispiel aus potentialtheoretischer Propellerberechnung und viskoser Berechnung der Schiffsumströmung. Die Kopplung erfolgt über ein Body-Force-Modell, welches Propellerkräfte durch Quellterme in der Impulsgleichung modelliert.
• Welche Vorteile hat eine Kopplung verschiedener Verfahren? Welche speziell gegenüber URANS-Simulation mit geometrische modelliertem Propeller? 1.Der Rechenaufwand kann bei aufwändigen Simulationen deutlich reduziert werden. 2.  Reduzierte Knotenanzahl des numerischen Gitters, dadurch Reduzierung der Rechenzeit Vermeidung von Mehrgittermethoden Ermöglichung größerer Zeitschrittweiten
• Wie entsteht Kavitation? Was beschreibt die Kavitationszahl? Kavitation ist die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen (Dampfblasen) in Flüssigkeiten, durch Druckverteilung. Sie entsteht auf der Profiloberflächer dort, wo der örtliche Druck unter den örtlichen Dampfdruck sinkt. Die Kavitationszahl beschreibt das Verhältnis aus statischem Druck und dynamischem Druck.
• Was führt zu veränderlichen Druckverteilungen am Profilschnitt? Anstellwinkelschwankungen resultierend aus ungleichförmige Anströmung en. Kleine Änderungen des Anstellwinkels führen schon zu einer deutlichen Änderung des Druckminimums.
• Wozu kann Profilwölbung führen, im Gegensatz zu symmetrischen Profilen? Zu gemäßigteren Unterdruckspitzen. Bei gleichem Anstellwinkel ist beim gewölbten Profil der Profilauftrieb größer.
• Wie steht das Druckminimum mit einem symmetrischen Profil in Verbindung? Das symmetrische profil hat auch bei einem Anstellwinkel von 0° eine merkliches Druckminimum, das mit der Profildicke zunimmt. Dieses Druckminimum stellt sich nicht an der Eintrittskante sondern entlang der Kontur ein.
• Wodurch wird Schichtkavitation in der Regel hervorgerufen? Durch ein Druckminimum an der Eintrittskante. Bei hochbelasteten Propellern ist Schichtkavitation nicht vermeidbar.
• Was bedeutet stabile Schichtkavitation für den Propeller? keine Beeinträchtigung
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• Wodurch wird Blasenkavitation in der Regel ausgelöst? Durch ein Druckminimum in der Profilmitte. Blasenerosion ist meist erosiv!
• Was ist eine Kavitationsschicht? Was geschieht im Nachstrom dieser Schicht? Ein mit verdampftem Wasser gefüllter Hohlraum am Profil, durch das Druckminimum an der Eintrittskante. Im Nachstrom legen sich die Stromlinien wieder an der Körpergrenzfläche an. Die Kavitationsschicht wirkt wie eine Aufdickung der Profilkontur.
• Welche Kavitationserscheinungen am Propellerflügel werden Unterschieden? Schichtkavitation Blasenkavitation Wolkenkavitation Streifenkavitation Wirbelkavitation
• Welche negativen Auswirkungen hat Kavitation unter anderem? Abfall der Kennwerte KT und KQ. Druckimpulse/ Schall Erosion
• Wie erfolgt die Erosion bei der Kavitation? Durch einfallende Blasen in der Nähe der Wand entstehen sogenannte Microjets, die mit überhöhtem Druck einen Strahl abgeben, wenn sich eine Blase teilt. (Wasserhammerdruck ca. 2000 bar)
• Welche Kavitation ist bei wechselnden Anströmverhältnissen zu vermeiden? Blasenkaviations Druckseitenkavitation
• Wie ist die Kavitation im Entwurf zu beachten? Für den Entwurf sind Grenzkurven auf der Saug- und Druckseite zu berücksichtigen. Die Darstellung im Kavitationseinsatzdiagramm oder Bucketdiagramm identifiziert die Kavitationsverhältnisse für den betrachteten Profilschnitt im Nachstrom.
• Bei Kavitationserosion wirken die Druckspitzen in 4 Phasen auf das Material: Inkubationsphase plastische Verformung Oberflächenveränderung/Orangenhaut Beschleunigung Beginn Massverlust Rissausbreitung Maximale Erosionsrate maximaler Masseverlust Verminderungsphase Reduktion der Erosionsrate durch Verminderung der Blasenkollapse
• Welche Kavitationserscheinungen treten am Ruder auf ? Spaltkavitation Spitzenwirbelkavitation (durch den Propeller) Flächenkavitation Sohlenkavitation
• Generelles Optimierungspotential bei Schiffsantrieben: Widerstand verringern Propulsor optimieren Optimaler Betriebspunkt für hohes ηI Verringerung von: Reibungs- und Axialverlusten (Drehzahl, Fläche, Durchmesser), sowie Drallverlusten
• Wozu dienen propulsionsverbessernde Maßnahmen? Wo finden sie statt? Verringern des Leistungsbedarfs eines Schiffes bei definierten Geschwindigkeiten. (Bzw. Erhöhte Geschwindigkeit bei vorgegebener Leistung) vor dem Propeller am Propeller Hinter dem Propeller
• Wie ist das Wirkprinzip von propulsionsverbessernden Maßnahmen? Verringerung der Reibungsverluste Verringerung der Drallverluste Homogenisierung bzw. Verbesserung der Zuströmung Modifizierung des Propellerstrahls
• Welche Unsicherheitsfaktoren gibt es bei propulsionsverbessernden Maßnahmen? es kam in der Vergangenheit häufig zu Strukturversagen oder hohen Schwingungsamplituden (laute, unkomfortable Schiffe) es gab lange keine ausreichend genauen Entwurfsmethoden es gab lange keine geeigneten Messmethoden, um die Funktionalität nachzuweisen Nachteil durch "fragmetierte" Stuktur der Schifffahrt (Eigner ist häufig nicht Betreiber)
• Geometrie und Funktion der Schneekluth-Düse: Profile zum Schiff (nach Innen) gewölbt nach achtern zulaufend Daher im Inneren beschleunigte Strömung Geschwindigkeiten im oberen Bereich größer und Nachstromdelle verringert Wirkungsgraderhöhung Geringere Schwingungsbelastung
• Geometrie und Funktion der Becker-Mewis-Düse: Vorderdrallerzeugend Düse in Kombination mit Statoren zur Homogenisierung des Nachstromfeldes nicht symmetrisch, für Wirksamkeit im oberen nachstrombereich mehr Flügel auf Backbordseite, um Entlastung des Propellerflügels in Aufwärtsbewegung zu verringern Erhöhung des Wirkungsgrades Verringerung von Schubschwankungen
• Geometrie und Funktion der Becker-Twisted-Fins: Vorderdrallerzeugned kurze Düse mit geringem Durchmesser wirkt nur auf inneren Radien Haupteffekt durch Statoren, die das Nachstromfeld vergleichmäßigen Erhöhung des Wirkungsgrades Verringerung von Schubschwankungen
• Geometrie und Funktion vom Wirbelgenerator: Leitbleche oder Profile modifizieren Wirbelsysteme der hinteren Schulter, um das Nachstromfeld zu homogenisieren Erhöhen den Wirkungsgrad Verringerung von Schubschwankungen
• Geometrie und Funktion von Kontrarotierenden Propellern: zwei auf einer Achse angeordnete Propeller mit gegenläufigem Drehsinn Durchmesser unterschiedlich Flügelzahl unterschiedlich Skew, um Schlageffekte zu verringern Drall des vorderen Propellers wird durch hinteren Propeller ausgeglichen Effektive Fläche vergrößert, dadurch Schubbelastung verringert Erhöhung des Wirkungsgrades Werringerung von Schubschwankungen
• Geometrie und Funktion des Grimschen Leitrades: frei drehendes Rad hinter dem Propeller erzeugt Zusatzschub innerer Teil arbeitet als Turbine und nutzt Rotationsverluste des Propellers äußerer Teil arbeitet als Propeller und nutzt hohe Rotationsgeschwindigekeiten Erhöhung des Wirkungsgrades ABER: nicht mögich bei Durchmesserbeschränkung
• Geometrie und Funktion ABB Azipod XL: Podantrieb mit Düse und Statoren Düse in Kombination mit Statoren zur Homogenisierung des Propellerabstroms Symmetrische Anordnung der Statoren Erhöhung des Wirkungsgrades Harmonisierung der Anströmung des Gehäuses
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• Geometrie und Funktion von Nebenablaufklappen: Ablaufklappen gewinnen Energie aus dem Nabenwirbel zurück Flügel auf Ablaufhaube Flügelzahl gleich, wie Propeller (Flügelposition hat großen Einfluss) Flügelzahl ungleich, wie Propeller (Winkelposition unwichtig) Rückgewinnung der Drallenergie und z.T. auch Schub an Ablaufhaube Erhöhung des Wirkungsgrades Reduzierung des Nabenwirbels Günstig
• Nachteile von propulsionsverbessernden Maßnahmen: Zusätzliche benetzte Oberfläche → Reibungswiderstand, Verwirbelung und evtl. Ablösung bei Drift / Schräganströmung
• Was wird benötigt für den Entwurf von propulsionsverbessernden Maßnahmen? Rumpfform, Geschwindigkeiten Prpeller- und Rudergeometrie Änderung von Tiefgang/Trimm auf den Trades Möglichst viele Daten zum Betriebsprofil des Schiffes andere relevante Betriebsbedingungen
• Wie werden propulsionsverbessernde Maßnahmen entworfen? Ähnlich dem Entwurf von zwei Einzelpropellern z.B. Lifting Ine, Lifting Surface, Paneel-Methode Berücksichtigung der gegenseitige induzierten Geschwindigkeiten Randbedingungen: Flügelzahl ungleich Durchmesser ungleich sehr komplexe Konstruktion von Welle und Lagern
• Was sind Flachwassereffekte? Durch geringe Wassertiefe oder seitlich Beschränkung wird die Umströmung des Schiffes verändert. Dadruch können sich z.T. extreme Änderungen von Schiffswiderstand und Schwimmlage ergeben. Effekte beschränkten Wassers treten bei bestimmten Verhältnissen von Schiffsgeschwindigkeite und Wassertiefe auf.
• Annahmen und Vereinfachungen der Airy-Wellentheorie: kleine Wellenamplituden vgl. mit Wellenlänge und Wasserteife Inkompressibel (Dichte konstant in Ort und Zeit) Gravitationswellen ideales Fluid
• Wie schnell bewegt sich die Wellenenergie vorwärts? Mit halber Geschwindigkeit der Wellenkämme.
• Wie wird das Wellenbild eines Schiffes beschrieben? (Tiefwasser) Als Überlagerung der Wellensystem vieler Druckpunkte
• Wodurch entsteht der typische Kelvinwinkel? ?
• Welche Bereiche von Flachwassereinflüssen werden unterschieden? unterkritische kritisch überkritisch
• Niederige unterkritische Bereiche???????? S.30-35
• Was verursacht der Flachwasserwiderstand? Die durch das Schiff hervorgerufenen Wellen in flachem Wasser werden langsamer und Interferenzeffekte, welche sich in der Widerstandskurve niederschlagen, verschieben sich hin zu niedrigeren Geschwindigkeiten.
• Was zählt zu den erzielbaren Geschwindigkeiten? Erzwungene Geschwindigkeitsminderung (Widerstandserhöhung) Freiwillige Geschwindigkeitsminderung (Vermehrung übermäßiger Bewegung und Lasten)
• Wie wird die Fahrtroute optimiert? Vermeiden von Stürmen und Schwell
• Was ist der Zweck der Untersuchung des Seegangsverhaltens? Schiffssicherheit: Kentergefahr, große Rollwinkel und Beschleunigungen, Slamming, Seeschlag auf Oberdeck oder Decksladung, Grundberührung, Prpelleraustauchen, Überschreitung der max. Maschinendrehzahl Erzielbare Geschwindigkeit im Seegang: Erzwungene Geschwindigkeitsminderung, freiwillige Geschwindigkeitsminderung Optimierung der Fahrtroute Einsatzgrenzen von Schiffen: z.B. Hubschrauberladungen, Anlager von Versorgern Dimensionierung der Struktur: Seegangsinduzierte Lasten (Schiffe, Offshore Plattformen) Sicherheit und Komfort der Personen an Bord
• Fähigkeiten eines Schiffes: Kurs halten (Abweichung von Geradeausfahrt, Reaktion auf Störung, dynamische Stabilität, Fahren in engem Fahrwasser) Kurs ändern (Manövrieren in begrenzten Gewässern, Anlegen) Geschwindigkeit ändern (Auslaufstrecke beim Abstoppen) Position halten (dynamische Positionierung)
• Was ergibt die Untersuchung des Seegangsverhaltens? wichtige Eingangsdaten für Ruderauslegung, allgemein Auslegung und Justierung des Autopiloten
• Was ist Manövrieren? langsame Bewegungen kontrollierter Kursänderungen (mehrere Sekunden, bis einige Minuten)
• Was ist Seegangsverhalten? (grob) umfasst die Betrachtung schneller, hauptsächlich unkontrollierter Bewegungen (6-15 sek.)
• Was erlaubt der Unterschied in der Frequenz zwischen "Manövrieren" und "Seegangsverhalten"? Eine Entkopplung von einander: Manövrieren in Glattwasser Seegangsverhalten in Vorausfahrt Kombination nur für komplexe Sonderthemen

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