Statustagung Schifffahrt und Meerestechnik 2008

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1 Statustagung Schifffahrt und Meerestechnik 2008 Tagungsband

2 Grußwort zur Statustagung 2008 Forschung und Entwicklung in Schifffahrt und Meerestechnik Forschung und Entwicklung sind ein wichtiger Baustein für die Wettbewerbsfähigkeit der maritimen Wirtschaft. Als Maritime Koordinatorin der Bundesregierung freue ich mich, Sie zur diesjährigen Statustagung, die der Projektträger Jülich im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie durchführt, einzuladen. Innovative Produkte entstehen dort, wo gut ausgebildete Fachkräfte in Forschung und Entwicklung neue Ideen und Konzepte umsetzen. Das BMWi unterstützt mit dem Programm Schifffahrt und Meerestechnik für das 21. Jahrhundert Forschungsvorhaben, die im Verbund von Industrie und Wissenschaft durchgeführt werden und zu neuen Produkten für den Weltmarkt führen. Die ausgewählten Präsentationen sollen zur Diskussion unter Fachleuten aus Wirtschaft und Forschung anregen. Die Projektpräsentationen auf der Statustagung 2008 umfassen neben den Ergebnissen abgeschlossener Projekte aus den Bereichen Schiffshydrodynamik, Simulation im Schiffsentwurf, Meerestechnik und Schiffbau auch ein in diesem Jahr begonnenes Verbundvorhaben, das sich mit der Gewinnung von Methanhydraten bei gleichzeitiger Deponierung von Kohlendioxid befasst. Ihre Dagmar G. Wöhrl Parlamentarische Staatssekretärin im Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie und Koordinatorin der Bundesregierung für maritime Wirtschaft

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4 Inhalt RUKAV Kavitationserscheinungen an Rudern in Modellund Großausführung 3 T. Lücke, H. Streckwall (HSVA) Hydrodynamische und strukturmechanische Untersuchung von Rudern großer, schneller Schiffe (XXL-Ruder) 23 Andreas Brehm, Ould El Moctar, Lars Lübke (GL, SVA Potsdam) HyProCon Einfluss der Maßstabseffekte auf die hydrodynamischen Eigenschaften von Propellern großer Containerschiffe 58 Sven-Brian Müller (Universität Duisburg-Essen), Moustafa Abdel-Maksoud (TUHH), Gerd Hilbert (MMG) SESIS Entwicklung eines integrierten schiffbaulichen Entwurfs- und Simulationssystems 80 Thomas Gosch (FSG), Wilfried Abels (TUHH), Eric Esins (CMT), Ottmar Krämer-Fuhrmann (FhG SCAI), Wolfgang Lösekann (SAM), Thijs Metsch (DLR), Lasse Paasch (Lindenau) SimuBin Modellierung und Simulation der realitätsnahen Schiffsbewegungen auf Binnenwasserstraßen 97 Cornel Thill (DST) SUGAR Submarine Gashydrat-Lagerstätten: Erkundung, Abbau und Transport 137 Matthias Haeckel, Klaus Wallmann, Jörg Bialas (IFM-GEOMAR) Druckneutrale Systeme - Gestaltung, Umsetzung und Test von druckneutralen Systemen und Einrichtungen für den Langzeit- oder ständigen Unterwasserbetrieb in Fahrzeugen und Unterwasserbauwerken 155 Gerhard Körner (ENITECH) SOS Integration eines Seegangsunabhängigen Oel- Skimmers in ein Ölunfallbekämpfungsschiff 177 Günther Clauss, Mazen Abu Amro, Florian Sprenger (TUB) KOMPASS Kompetenzentwicklung als Schiffbaustrategie 197 Christian Nedeß, Axel Friedewald, Uwe Kanieß (TUHH) MarLife Maritimes Life Cycle Management 217 Klaus-Dieter Thoben (IPL), Nils Homburg, Andrea Gerriets (BIBA) Neue unkonventionelle Hochleistungstechnologien zum Fügen in schiffbaulichen Vorfertigungs-, Montage- und Ausrüstungsprozessen (HLT-SB) 236 Hans-Gerd Bannasch, Lothar Haack (MCC), Dietrich Bruhns (IEM)

5 RUKAV Kavitationserscheinungen an Rudern in Modell- und Großausführung Dipl.-Ing. T. Lücke, Dr.-Ing. H. Streckwall, Hamburgische Schiffbau- Versuchsanstalt GmbH Einführung Erosionsschäden an Halbschweberudern großer Containerschiffe und sehr schneller RoPax-Fähren stellen die Reeder vor große Probleme. Hervorgerufen durch aggressive Kavitationserscheinungen sind Erosionsschäden ein häufig auftretendes Phänomen an Propellern, Rudern und anderen Anhängen. Im Falle eines Ruders sind neben Blasenkavitation auf der Ruderoberfläche die Spaltkavitation der Halbschweberuder Kavitationsarten, bei denen die Erfahrung zeigt, dass sie eine erosive Wirkung haben, siehe Abbildung 1. Die Kavitationserscheinungen sind (im Gegensatz zu Schichtkavitation) allerdings stark Maßstabs- bzw. Reynoldszahl abhängig. Diese spezielle Art von Kavitation ist im Modellversuch mit Rudermodellen der normalen Größenordnung (diese entsprechen in etwa einem DinA4-Format) wahrscheinlich nicht realistisch zu reproduzieren und zu erkennen. Ziel des Vorhabens war es daher, die Kavitationserscheinungen an einem Halbschweberuder eines Containerschiffes bei normaler und möglichst großer Reynoldszahl zu untersuchen. Abb. 1: Typischen Erosionsschäden am Pintle 3

6 Anhand von Modellversuchen in einem herkömmlichen Maßstab (λ=33.5) samt Schiffsmodell, Propeller und Ruder wurden Kavitationsbeobachtungen, Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen und Partikel- Image-Velocimetry (PIV)-Messungen durchgeführt. Die aus den PIV- Mesungen abgeleiteten Geschwindigkeitsverteilungen wurden (als Ersatz des Propellerstrahls) zur Vorbereitung der Modellversuche an einem möglichst großen Teilrudermodell im Maßstab λ=4 herangezogen. Als Betriebspunkt wurde ein typischer Ballastfall aus dem Fahrprofil des Schiffes gewählt, der repräsentativ für eine Rückreise eines Containerschiffes von Europa/USA nach Asien steht. Modellversuche an einem Halbschweberuder, λ=33.5 Zur Beschreibung der Umgebungsbedingung des Ruders sind mit Hilfe der PIV-Technik ebene Geschwindigkeitsfelder aufgemessen worden. Die Messungen beschränken sich dabei auf kavitationsfreie Zustände. Abb. 2: Schematische Darstellung der PIV-Anlage In Abbildung 2 ist die Installation der PIV-Anlage im HYKAT am Beispiel des großen Teilruders schematisch dargestellt. Der HYKAT ist der große Hydrodynamik und Kavitationstunnel der HSVA. Seine Messstrecke ist 11m lang, 2.8m breit und 1.6m hoch. Normalerweise werden hier ganze Schiffsmodelle samt Propeller und Ruder untersucht. Unter der eigentlichen Messstrecke befindet sich ein horizontales Acrylglasfenster (grau), unter dem die Kamera (blau) in einer mit Wasser gefluteten Akustikkammer installiert war. Die Kamera selbst befand sich auf einer beweglichen Haltevorrichtung. Auf diese Weise konnte die Kamera über eine Steuerung von außen bewegt und in ihrer Position an dem zu beobachtenden 4

7 Ruder ausgerichtet werden. Der Laser befand sich außerhalb des HYKAT auf der Backbordseite und spannte eine horizontale Lichtebene durch das vertikale Beobachtungsfenster (grau) auf. Die Kamera blickte vertikal nach oben und photographierte in der Laserebene (grün) auf der Backbordseite des Ruders. Die Höhe der Lichtebenen wurde an den Tiefgangsmarken des Ruders ausgerichtet. Zur Durchführung von PIV-Messungen werden im Wasser Partikel, sogenanntes Seeding, benötigt, an denen sich das Licht des Lasers bricht, und die als diskrete Geschwindigkeitsindikatoren dienen. Vom ursprünglichen Plan, Kunststoffpartikel zu verwenden, wurde aus Rücksicht auf das nachträgliche Entfernen und Säubern des HYKAT Abstand genommen. Alternativ dazu wurden Luftblasen als Partikel verwendet, die möglichst klein und homogen verteilt auftreten sollten. Die Luftblasen wurden während der Versuche durch eine Begasungsanlage in das Wasser des HYKAT eingebracht, die sich stromaufwärts vor der Messstrecke befindet. Die Partikeldichte ist dabei allerdings nicht hoch und homogen genug, um einen momentanen Strömungszustand mit einer einzigen Doppelaufnahme komplett darstellen zu können. Unter diesen Umständen mussten wir uns auf die Messung periodischer Strömungsfelder beschränken. Es wurden 100 Messungen bei gleicher Propellerflügelstellung durchgeführt und die nötige Anzahl der Mittelungen ermittelt, um ein periodisches Strömungsbild nahezu vollständig abzubilden. Das Ergebnis zeigt, dass bereits 50 Mittelungen ausreichten, um ein adäquates Bild zu erreichen. Diese Art der PIV-Messungen mit Luftblasen als Seeding kann als neu erachtet werden. Die ebenen Geschwindigkeitskomponenten U, V in x-, y-richtung wurden in 5 Ebenen von der Rudersohle bis knapp oberhalb der Propellerwelle aufgemessen. Mangels Messergebnissen im Bereich des Pintles wurden die Geschwindigkeitsfelder näherungsweise als axialsymmetrisch behandelt und um die Propellerwelle gespiegelt. Die Geschwindigkeitskomponenten wurden in einer Spantebene x=0.79r hinter der Propellerebene ausgewertet. An dieser Position befindet sich die Rudereintrittskante auf der Höhe des Pintles. Die Ausgewerteten Geschwindigkeitskomponenten U, V wurden in Betrag (Vel) und Winkel α für 4 Propellerblattpositionen ermittelt. Vel + V U 2 2 = U V, 1 α = tan Der Winkel α bezieht sich auf die Mitte des Ruders bzw. Schiffes (y/r=0). Die Geschwindigkeitskomponenten wurden mit der Schiffsgeschwindigkeit bzw. der ungestörten Zustromgeschwindigkeit im Tunnel U0 und die Längen mit dem Propellerradius R normiert. Die Abbildung 3 zeigt eine Ge- 5

8 genüberstellung der Ergebnisse (in Geschwindigkeitsbetrag und Winkel) jeweils mit und ohne Ruder bezogen auf die Ebene z=2m bzw. auf die mittlere Höhe des Pintles (z=7m). Die Ergebnisse gelten für die Propellerblattposition φ=0 bezogen auf die 12:00 Uhr Stellung. Im Bereich y/r=0 bis -0.2 fehlen Messpunkte der Daten ohne Ruder, da der kavitierende Nabenwirbel bei allen Aufnahmen zu sehen war, und dieser die Auswertung an der Stelle unmöglich machte. Aus diesem Grund ist der Bereich ausgeblendet worden. Bei vorhandenem Ruder legte sich der Nabenwirbel auf die STB-Seite des Ruders und störte die Messungen nicht weiter. Durch die fehlenden Daten bei y/r=0 kann nur näherungsweise aus den Messungen mit Ruder auf die Daten für den Fall ohne Ruder geschlossen werden. Nur letzterer Fall kann zur Ermittlung der effektiven Zuströmung des Ruders herangezogen werden, da die Präsenz des Ruders durch seine Induktionen zum totalen Geschwindigkeitsfeld beiträgt und dies den Einfluss des Ruders bereits vorwegnimmt. In Abbildung 3 ist deutlich der Einfluss des Ruders (grün) durch den reduzierten Betrag der Geschwindigkeit Vel/U0 erkennbar. Der Winkel α fällt nahe y/r=0 ohne Ruder (rot) kleiner aus als mit Ruder (grün). Bei y/r=- 0.6 ist anhand der starken Änderung des Winkels die Lage des Propellerspitzenwirbels zu erkennen. alpha [Grad] Z=2.0m phi=0 ohne Ruder phi=0 mit Ruder Vel/U Z=2.0m phi=0 ohne Ruder phi=0 mit Ruder y/r y/r Abb. 3: Horizontale Geschwindigkeitsverteilung, Z=2.0 m 6

9 Aus den PIV - Ergebnissen wurden die ebenen Anstellwinkel zum Ruder und der Betrag der ebenen Geschwindigkeitskomponenten ermittelt und als Umgebungsbedingung für die Versuche des großen Teilruders herangezogen. Modellversuche an einem großen Teilrudermodell, λ=4 Die PIV-Messungen ergaben einen Zustromwinkel am Pintle, der je nach Propellerblattposition zwischen 11 und 13 betrug. Als repräsentativer neutraler Anströmwinkel des Pintles wurde α=10 gewählt. Die Motivation für die Wahl eines kleineren Winkels war die Sorge, dass das Ruder samt Ruderhorn bereits an der Eintrittskante zu kavitieren beginnt. Diese Kavitation wäre in neutraler Ruderlage mit Sicherheit nicht realistisch und würde durch Ablösungen ihrerseits die Strömungs- und Kavitationscharakteristik stromabwärts am Pintle beeinträchtigen. Das Teilrudermodell, bestehend aus dem Horn, dem Pintle und dem Ruderblatt, wurde im Maßstab 4 gefertigt. Die Höhe des Ruders beträgt 1.5m und die mittlere Profillänge beträgt 1.9m. Die Höhe erlaubt einen horizontalen Spalt von 5cm zwischen dem Ruder und dem Tunneldeckel bzw. Tunnelboden. Die Ruderoberfläche besteht aus schichtweise verklebten Kunststoffplatten. Im Innern des Ruders dient eine Stahlkonstruktion zur Aufnahme der Kräfte und zu ihrer Einleitung in den HYKAT. Die Ruderachse wurde mit dem PMM (Planar Motion Mechanism) gekoppelt. Das Teilruder wurde um den neutralen Winkel α=10 verdreht unter dem PMM installiert. Dabei war das Horn mit Schrauben am Deckel fest verbunden. Ausgehend von dieser als neutral definierten Lage konnte das Ruderblatt mittels PMM um 5 nach Steuerbord gelegt werden. Als wichtig für die Untersuchungen der erosiven Kavitation als Langzeitprozess wurden die Ruderlagen in Neutralstellung und mit kleinen Ruderwinkeln +/-5 angesehen. Diese Ruderstellungen treten beim Kurshalten mittels Autopiloten am häufigsten auf und stellen daher den kritischsten Zustand für Schäden durch Erosion dar. In Abbildung 4 ist das Teilruder (blau) in Relation zum Gesamtruder (grau) samt Tiefgangsmarken dargestellt. Die vertikalen Verteilungen der Geschwindigkeitskomponenten sind als Betrag (rot) und Winkel (grün) zu finden. 7

10 14 alpha [Grad] Teilruder Mittelwert Vel/U0 Mittelwert alpha Hoehe ueber Basis z [m] 8 6 Hoehe Propeller Spitze 8.0m 7.5m 7.0m Hoehe Propeller Welle x [m], Vel/U0 Abb. 4: Teilruder (blau) in Relation zum gesamten Ruder (grau) Abb. 5 : Teilruder in der Teststrecke des HY- KAT In Abbildung 5 ist das Teilrudermodell in der Teststrecke des HYKAT zu sehen. Aus praktischen Gründen wurde die Backbordseite als Saugseite betrachtet, was einem linksgängigen Propeller entspricht. Aus den PIV-Messungen ist eine Übergeschwindigkeit von w Pintle = 45% ermittelt worden. Das Ruder versperrt den Tunnelquerschnitt in neutraler Stellung um ca. 12%. Unter Berücksichtigung der Versperrung ergibt sich für die ungestörte Bezugsgeschwindigkeit im Tunnel U0 und den schiffsspezifischen Geschwindigkeiten Vs, Va folgende Relation: Va = U0/(1-0.12) Va = Vs*(1+w Pintle ) U0 =Va*(1-0.12)=Vs*(1+w Pintle )*(1-0.12) = Vs*(1+0.45)*(1-0.12) = Vs*1.28 Die bei verschiedenen Maßstäben erreichbaren Reynoldszahlen sind in der folgenden Tabelle 1 einander gegenübergestellt. Die aufgeführten Reynoldszahlen sind auf die lokale Geschwindigkeit Va am Pintle bezogen. Im Maßstab 33.5 wird gerade mal 5% der realen Reynoldszahl erreicht und im Maßstab 4 sind es bereits 39%. Im Vergleich zum kleinen, herkömmlichen Maßstab sind beim großen Teilruder keine nennenswerten Maßstabseffekte mehr zu erwarten. 8

11 Maßstab λ Va [m/s] Rn(Va) 2.0E6 1.5E7 3.8E7 % 5% 39% 100% Tabelle 1: Maßstabsabhängige Reynoldszahlen Die Einhaltung der auf die Schiffsgeschwindigkeit bezogenen Kavitationszahl σ (Vs) erfordert einen Zusatzterm, der die lokale Geschwindigkeitsüberhöhung (w Pintle ) im Propellerstrahl berücksichtigt. Der für den Kavitationsversuch benötigte Druck im HYKAT ergibt sich dann aus σ (Va). σ Va P P (1 + w d d = Vs P int le ρ 2 ρ 2 Va ( VS (1 + wp int le )) 2 = 2 P P = σ ) 2 Die großen Abmessungen des Ruders stellten bezüglich der Fertigung und der Versuchsdurchführung eine große Herausforderung dar. Die am Ruder auftretenden Querkräfte von ca. 70 KN mussten vom Ruder aufgenommen und sicher in die Struktur des HYKAT eingeleitet werden. Die Versuche an einem Teilruder dieser Größe können als neuartig angesehen werden. Ergebnisse Kavitation Bei Berücksichtigung der lokalen Kavitationszahl kavitierte das Ruder vor allem am Ruderhorn und am Ruderblatt an der Eintrittskante bereits sehr stark in der neutralen Ruderlage, im Gegensatz zum Kavitationsverhalten des gesamten Ruders im Propellerstrahl. Daraus lässt sich schließen, dass der repräsentative neutrale Anstellwinkel von 10 zu groß gewählt worden war. Aus zeitlichen Gründen wurde auf eine neue Ausrichtung des Ruders verzichtet und eine Anpassung der Kavitationserscheinung auf ein realistisches Maß über die Erhöhung des Druckes im Tunnel vorgenommen. Erst bei einem um 300 mbar erhöhten Druck konnte ein Kompromiss zwischen Kavitation am Pintle und am Horn gefunden werden. 9

12 Ein Grund für die Überzeichnung der Kavitation an der Eintrittskante des Ruderblattes und des Horns scheint in dem Wandeinfluss des Tunnels zu liegen. In den Beziehungen zwischen den Geschwindigkeiten (U0, Va, Vs), ist eine mittlere Versperrung durch das Volumen des Ruders berücksichtigt worden. Diese Versperrung wirkt sich durch den Einbauwinkel von 10 allerdings unterschiedlich auf die Eintrittskante an Backbord bzw. Steuerbord aus. Auf der Backbordseite wird die Strömung nahe der Eintrittskante durch die Düsenwirkung beschleunigt, und auf der Steuerbordseite verzögert. Dieser Umstand wirkt wie ein zusätzlicher Anstellwinkel und überzeichnet daher die Geschwindigkeiten und die Druckverhältnisse direkt an der Eintrittskante. In Abbildung 6, 7 ist das Kavitationsverhalten (unter Berücksichtigung des erhöhten Drucks) auf der Backbordseite des gesamten Teilruders bei β=0 bzw. 5 skizziert. Links neben der Seitenansicht des Teilruders ist das unterste Ruderprofil dargestellt. Die beobachteten Kavitationserscheinungen am Pintle zeichnen sich hauptsächlich durch Ablösungen aus. Diese Ablösungen induzieren fein strukturierte und wirbelartige Kavitation. Die Kavitationserscheinungen am Pintle stimmen optisch und akustisch mit den Erfahrungen aus Großausführungsbeobachtungen überein. Die akustische Übereinstimmung der Kavitationserscheinungen stammt von den kavitierenden Wirbeln, die während des Kondensationsprozesses hinter dem Pintle implodieren. Dieses Implodieren wird wie das Knallen einer Peitsche in der Luft wahrgenommen. Angesichts des mit Großausführungsbeobachtungen recht ähnlichen Kavitationsverhaltens erscheint die vereinfachte Berücksichtigung der Zuströmung im Pintle mit einem mittleren Anstellwinkel und einer mittleren Geschwindigkeit durchaus als berechtigt. Dies bedeutet darüber hinaus, dass die Inhomogenität des Propellerstrahls samt seiner zeitlichen Änderungen keinen dominanten Einfluss auf das Strömungsgeschehen und das Kavitationsverhalten am Pintle zu haben scheint. 10

13 α=10 U0 Abb. 6: Skizze des Kavitationsverhaltens, β=0 α+β=15 U0 Abb. 7: Skizze des Kavitationsverhaltens, β=5 11

14 Abb. 8: Berechnete Ausdehnung der Schichtkavitation, β=5 Anhand der Iso-Fläche in Abbildung 8, die den Wert 0.2 des Gasvolumen- Verhältnisses im Strömungsgebiet anzeigt (80% Wasser, 20% Dampf), ergibt sich die berechnete Kavitation auf Ruderblatt und Horn bei 5 Ruderlegung. Da die Rechnung die Auflösung der Spaltströmung zum Ziel hatte, wurden im Bereich der Vorderkante des Ruders relativ wenig Zellen positioniert, was das Unterschätzen der Schichtkavitation (siehe Abbildung 7) in der Rechnung erklären könnte. Die Wirbelkavitation an den Spalten und im Ablösegebiet konnte nicht erfasst werden. Abbildung 9 (links) zeigt das Kavitationsverhalten am Pintle bei β=0. Deutlich sind die durch Ablösungen erzeugten kavitierenden Wirbel sichtbar. Neben vielen Wirbeln dieser Art konnten zwei recht dominante Wirbel am Pintle identifiziert werden. Zur ihrer Visualisierung wurde die Kavitation durch weitere Druckerhöhung im Tunnel stark reduziert, sodass nur noch die dominanten Wirbel sichtbar waren. Diese Wirbel kavitierten während des ganzen Versuchszeitraums recht stabil, und zwar jeweils im oberenund unteren Drittel der Pintlehöhe, siehe Abbildung 9 (rechts). Beide Wirbel zeigten stromaufwärts betrachtet einen linksgängigen Drehsinn! 12

15 Abb. 9: Kavitation am Pintle, (links) /(rechts), β=0 Abb. 10: Berechnete Spaltströmung, β=5 13

16 Die berechnete Spaltströmung am Teilruder (β=5 ) ist in Abbildung 10 anhand der Stromlinien (links) und mit Hilfe von Vektordarstellungen der Geschwindigkeitsfelder (rechst) visualisiert. Die mittlere Abbildung zeigt die Blickrichtung. Das Horn wurde aus Visualisierungsgründen entfernt. Die Stromlinien lassen erkennen, dass die aus dem Spalt stammende Strömung für Wirbelbildungen in der Außenströmung sorgt. Die Geschwindigkeits-Vektoren lassen eine ähnliche Interpretation zu. Rechnerisch konnten die beiden dominanten Wirbel erfasst werden nicht jedoch ihre gleichsinnigen Drehrichtung. In der Abbildung 11 sind Auszüge aus Hochgeschwindigkeits-Video Aufnahmen zu finden und dem Erosionsmuster am Pintle gegenübergestellt. Die Aufnahmen entsprechen einer Bildrate von 1000 Bildern pro Sekunde und einer Belichtungszeit von 494 μs. Die Videos zeigen das Kavitationsverhalten jeweils in der oberen und unteren Hälfte des Pintles. An der Eintrittskante des Ruderblattes hinter dem vertikalen Spalt ist kaum Schichtkavitation zu erkennen (Abbildung 11 oben). Erst wenn einzelne kavitierende Wirbel an der Eintrittskante vorbei streichen induzieren diese indirekt Kavitation an der Ruderoberfläche. In den Aufnahmen kann man erkennen, dass die vom Wirbel induzierte Kavitation auf dem Ruder bis ca. 4cm hinter der Eintrittskante auf der Ruderoberfläche auftritt (H). Die sich ablösende Wirbelschicht an der durchgehenden unteren Trennplatte erscheint an derselben Stelle, an der im Erosionsbild dunkle Farbabtragungen erkennbar sind (F). Durch die Querströmung des horizontalen Spaltes bildet sich am Pintle (Hinter der dicksten Stelle, G) eine kavitierende Wirbelschicht, die noch nicht zu einem diskreten Wirbel aufgerollt ist, und daher diffus verläuft und großflächige Abtragungen verursacht. Die lang gestreckten Erosionsspuren (I) korrespondieren zu den Pfaden der beiden dominanten Hauptwirbel entlang des Ruderblattes. Dies kann ein Indiz dafür sein, dass diese Hauptwirbel auch in der Großausführung auftreten, und das sowohl auf der Backbordseite als auch auf der Steuerbordseite! 14

17 G G H I I F Abb. 11: Kavitation (β=0 ) und Erosionsschäden am Ruder, BB-Seite PIV Messungen Die Ergebnisse der PIV-Messungen sind in den Abbildungen als Geschwindigkeitsvektoren und farblich als Geschwindigkeitsbetrag dargestellt. Die Abbildungen zeigen die Geschwindigkeitskomponenten in der horizontalen Ebene auf Höhe der Tiefgangsmarken 7.0m und 7.5m bei jeweils 0 bzw. 5 Ruderlage. Die Aufnahmen zeigen den Blick von unten auf die BB-Seite des Pintles. Da durch das fehlende Seeding nur unvollständige Momentaufnahmen entstanden, sind jeweils 100 aufeinanderfolgende Momentaufnahmen überlagert worden und stellen eine Art Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeiten dar. 15

18 In Abbildung 12, 13 (unten) ist anhand der fast vertikal nach oben verlaufenden Vektoren der kräftige Ausstoß der Querströmung aus dem Spalt zu erkennen. Mit der Ruderlage 5 nach Steuerbord nimmt diese Querströmung und damit die Ablösung gegenüber der neutralen Lage deutlich zu. Bei 5 Ruderlage ist bereits am Pintle vor dem Spalt eine Ablösezone zu erkennen. 50 Vel/U0 y(mm) 0-50 Horn Blatt x (mm) 40 y(mm) Horn Blatt x(mm) Vel/U Abb. 12: Geschwindigkeitskomponenten, Z=7m, β=0 (oben)/ 5 (unten), Mittelwerte 16

19 Die geringen Geschwindigkeiten in der Ablösezone erlauben keine Ausbildung von Schichtkavitation an der Eintrittskante des Ruderblattes direkt hinter dem vertikalen Spalt. Nur die Wirbel sind dazu indirekt in der Lage. 50 Vel/U0 y (mm) 0-50 Horn Blatt x(mm) y (mm) 50 0 Vel/U Horn Blatt x(mm) Abb. 13: Geschwindigkeitskomponenten, Z=7.5m, β=0 (oben)/5 (unten), Mittelwerte 17

20 Auf halber Pintlehöhe bei z=7m (Abbildung 12) ist in der Neutralstellung eine stärkere Ablösung als bei 7.5m (Abbildung 13) zu erkennen. Bei 5 Ruderlegung ist die Ablösezone etwa gleich ausgeprägt Vel/U0 y (mm) Horn Blatt x(mm) 50 Vel/U0 y(mm) 0-50 Horn Blatt x (mm) Abb. 14: Geschwindigkeitskomponenten, Z=7.5m, β=0 (oben)/β=5 (unten) Momentaufnahme 18

21 Repräsentative Momentaufnahmen eines willkürlichen Zeitpunktes sind in der Abbildung 14 für die Ebene z=7.5m, β=0 (oben) und β=5 (unten) dargestellt. Die Aufnahmen geben durch die angedeuteten Wirbel den Eindruck der wirbelbehafteten Kavitation aus den Kavitationsbeobachtungen recht gut wieder. Die Querströmung im vertikalen Spalt ist für die Ablösungen am Ruder mitverantwortlich und führt zu den wirbelbehafteten und sehr instationären Kavitationserscheinungen, die bei solchen Rudern in der Großausführung und im Modellversuch beobachtet werden. Das Verhältnis der Querströmungsgeschwindigkeit zur Hauptströmungsgeschwindigkeit an der Saugseite bestimmt den Grad der Ablösung. Eine Verringerung der Querströmung würde zu geringeren Ablösungen führen. Die Hauptströmung um das Ruder würde weiter anliegen und eventuell zu mehr Schichtkavitation an den Kanten führen. Maßstabseffekt Neben den visuellen Unterschieden des Strömungs- und Kavitationsverhaltens in beiden Maßstäben wurden Farberosionsversuche zur Erfassung der Erosivität herangezogen. Die Farberosionsversuche an beiden Rudermodellen ergaben recht unterschiedliche Ergebnisse. Am kleinen Rudermodell (λ=33.5) zeigten sich Farbabtragungen, die zu den Erosionsbildern aus der Großausführung und zu den beobachteten Kavitationserscheinungen passten. Bei den Erosionsversuchen am Teilruder beschränkten wir uns auf den neutralen Ruderwinkel (β=0) um eine möglichst repräsentative Aussage treffen zu können und die überzeichneten Ablösungen so gering wie möglich zu halten. Am großen Teilrudermodell (λ=4) ergaben sich kaum Farbabtragungen, die auf die beobachteten Kavitationserscheinungen zurückzuführen waren. Die Erfahrungen aus den vorhergehenden Versuchen werden durch die Erosionsversuche bestätigt. Es wird vermutet, dass der verwendete Anstellwinkel des Ruders (neben der unrealistischen Schichtkavitation am Horn) auch zu überzeichneten Ablösungen am Pintle führte und die Hauptströmung dadurch weit von der Ruderoberfläche abgelenkt wurde. Die Kavitation (vor allem die gefährlichere Kondensation) findet stromabwärts zu weit oberhalb der Ruderoberfläche statt und wirkt sich demnach nicht erosiv aus. Die mangelnde Erosivität kann nicht einem Maßstabseffekt zugeschrieben werden, sondern den nicht ganz vergleichbaren Strömungsrandbedingungen. 19

22 Beim Kavitationsversuch am kleinen Ruder war bei 0 Ruderanstellung nur im unteren horizontalen Spalt sporadisch Kavitation zu erkennen. Diese Art der Kavitationserscheinungen ist allein durch den kleinen Maßstab eines normalen Rudermodells zwar wahrnehmbar, jedoch erlauben die kleinen geometrischen Dimensionen keine Detailbeobachtungen, die Aufschluss über die erosiven Eigenschaften geben. Die Kavitationsform beim kleinen Ruder lässt Wirbelstrukturen erkennen, die primär auch beim großen Teilruder beobachtet wurden. Darüber hinaus hindern die engen Spalte bei zu niedrigen Reynoldszahlen durch ihre relativ dicke Grenzschicht den Durchfluss der Strömung. Dies reduziert den Durchfluss aus den Spalten und damit ebenfalls die Ablösungen. Erst bei Ruderlegung entsteht Kavitation, die durch den größeren Durchfluss aus den Spalten erzeugt wird, und die mit der, am großen Ruder in Neutralstellung, beobachteten Kavitation verglichen werden kann. Vernachlässigt man den Umstand der überzeichneten Ablösungen, so besitzen die beobachteten fein strukturierten Wirbel ein hohes Erosionspotential. Aus Erfahrung mit fein strukturierten Wirbeln und ihrem Kavitationsverhalten an Propellerflügeln ist bekannt, dass solche Strukturen oft erosiv wirken. Im herkömmlichen, kleinen Maßstab ist die beobachtete Kavitation am Pintle durchaus mit der im großen Maßstab vergleichbar, wenn auch nur bei größeren Ruderwinkeln. Zusammenfassung Die typischen Kavitationsformen an einem Halbschweberuder wurden anhand von Modellversuchen und CFD-Berechnungen in zwei Maßstäben (λ=33.5 und 4) detailliert untersucht. Neben Kavitationsbeobachtungen am Ruder im Maßstab 33.5 wurden Hochgeschwindigkeits-Video-Aufnahmen und Partikel-Image-Velocimetry (PIV) Messungen durchgeführt. Aus den Versuchsergebnissen und den begleitenden CFD-Berechnungen konnten die für Halbschweberuder typischen Kavitationserscheinungen identifiziert werden. Ablösungen, die im Zusammenhang mit der Querströmung im hinteren vertikalen Spalt des Pintles auftraten, führten zu den charakteristischen, aus der Großausführung bekannten, Kavitationserscheinungen. Dabei handelt es sich hauptsächlich um indirekte, von Wirbeln induzierte Kavitation auf der Ruderoberfläche. 20

23 Die Numerik (in unserem Fall vertreten durch das kommerzielle Programm Comet ) war in der Lage, die Strömungsvorgänge in den Spalten des Ruders aufzulösen. Insbesondere war es aufschlussreich, im Pintle-Bereich die Strömung durch den vertikalen Spalt für unterschiedliche Stellungen des Ruderblattes zu analysieren. Wie die Messungen zeigen, geht die Durchströmung der Spalte mit dem Erzeugen von Wirbeln einher, die im Kern oft kavitieren. Die Rechnungen konnten die Mechanismen zur Bildung solcher Wirbel am Pintle aufzeigen, jedoch in diesem Bereich nicht die Wirbelkavitation vorhersagen. Auf der anderen Seite erzielten wir mit Comet eine gute Vorhersage der Schichtkavitation am kompletten Modellruder als auch am Teilruder. Die Ergebnisse des Vorhabens können in folgenden Punkten zusammengefasst werden: Die Versuchs- und Berechnungsergebnisse erlaubten einen tiefen Einblick in die vorherrschenden Strömungs- und Kavitationsarten am Pintle Als vorherrschende und erosiv wirkende Kavitationsart am Pintle ist Wirbelkavitation identifiziert worden Die erosive Wirkung der Kavitation war am kleinen Rudermodell mittels Farberosionstest nachvollziehbar, nicht jedoch am großen Teilruder. Der Grund wird in den überzeichneten Ablösungen am Teilruder gesehen Die am herkömmlichen Maßstab beobachtbare Kavitation am Pintle ist qualitativ betrachtet durchaus realistisch Kavitationsversuche an einem so großen Rudermodell sowie PIV- Messungen in einem für ganze Schiffsmodelle konzipierten Kavitationstunnel können als neuartig erachtet werden 21

24 Literatur [1] J. M. Han, Analysis of the Cavitating Flow Around the Horn-Type Rudder in the Race of a Propeller, CAV2001, session B9.005 [2] A. M. Kracht, Cavitation on Rudders, [3] E.A. Weitendorf, J. Friesch, Kavitation im Schiffbau [4] J.J. Kappel, Kavitationserosion an Rudern von Schnellen Einschraubenschiffen Jahrbuch STG 76. Band [5] S. Park, Numerical Study on Horn Rudder Section to Reduce Gap Cavitation, 10 th International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures, Houston, Texas, 2007 [6] S.H. Rhee, Development of Rudder Cavitation Suppression devices and its Concept Verification Through Experimental and Numerical Studies,, 10 th International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures, Houston, Texas, 2007 [7] H. Kato, Erosive Intensity Measurements of cavitating Jet with Various Configurations, CAV 2001 [8] Ph. Couty, Physikal Investigation of a Cavitation Vortex Collapse, CAV2001, session A6.003 [9] J. C. Liao, D. N. Beal, G. V. Lauder, M. S. Triantafyllou, The Karman gait: Novel Body Kinematics of Rainbow Trout Swimming in a Vortex Street, The Journal of Experimental Biology 206, pages , 2002 [10] M. J. Wolfgang, J. M. Anderson, M. A. Grosenbaugh, D. K. Yue, M. S. Triantafyllou, Near-Body Flow Dynamics in Swimming Fish, The Journal of Experimental Biology 202, pages , 1999 [11] F. Di. Felice, Propeller Wake Analysis by means of PIV, Twenty-Third Symposium on naval Hydrodynamics,