Virtuelle Navigation zur Ermittlung von Kurswegen mit PeTra (Pegelabhängige Trassierung) P. Kolarov (Uni Rostock) Th. Dettmann (BAW Karlsruhe)

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Peter Dittmar
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1 zurück zum Programm Virtuelle Navigation zur Ermittlung von Kurswegen mit PeTra (Pegelabhängige Trassierung) P. Kolarov (Uni Rostock) Th. Dettmann (BAW Karlsruhe) zur Kurzfassung Blick von der Loreley / Talfahrt des GMS Jowi

2 Virtuelle Navigation zur Ermittlung von Kurswegen mit PeTra (Pegelabhängige Trassierung) P. Kolarov (Uni Rostock) Th. Dettmann (BAW Karlsruhe) Aufgabenstellung Erstellung Befahrbarkeitsanalysen (Saar, Weser) Ermittlung der Verkehrsflächen zur Vorbereitung von Engpassanalysen Hilfestellung bei der Erteilung von Ausnahmegenehmigung neuer nautische Einheiten Beurteilung Sicherheit und Leichtigkeit des Verkehrs Langfristig: Quantifizierung von Sicherheit und Leichtigkeit Werkzeuge HN- Modell des Gewässers Fahrdynamisches Modell (z.b. TRASSE oder PeTra) Virtueller Schiffsführer mit folgenden Eigenschaften (Streckenkenntnis, Beherrscht sein Schiff, vorgebbare aber konstante Leistungen (keinen Lerneffekte) Blick von der Loreley / Talfahrt des GMS Jowi

3 Befahrbarkeitsanalysen Vorstellung einer neuen Gutachtengestaltung Befahrbarkeitsanalyse Mittelweser: Haltung Dörverden für hydrost. Stau

4 Berechnungsergebnisse aus fahrdynamischen Modellen Grundlage der Befahrbarkeitsanalyse Befahrbarkeitsanalyse Mittelweser: Haltung Dörverden für hydrost. Stau GK 76: Talfahrt GMS 110 m: Bergfahrt BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau

5 Berechnungsergebnisse aus fahrdynamischen Modellen Grundlage der Befahrbarkeitsanalyse BefahrbarkeitsanaGrundlage: lyse Mittelweser: Haltung Dörverden HN Modell der Weser: CASCADE Fahrdynamisches Modell: TRASSE für hydrost. Stau GK 76: Talfahrt GMS 110 m: Bergfahrt Problem: Der manuelle Aufwand für die Erstellung der Kursachsen ist sehr groß. Ziel: Ablösung der manuellen Kursachsenerstellung durch virtuelle Navigation. BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau

7 Ergebnisse aus dem fahrdynamischen Modell Wasserstand vom Pegel Kaub 90 cm Bergfahrer GMS mit Tiefgang 1,00 m Bergfahrer GMS mit Tiefgang 1,80 m Talfahrer GMS mit Tiefgang 1,80 m BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau

8 Ergebnis aus fahrdynamischen Naturmessungen Wasserstand vom Pegel Kaub 90 cm

12 Das fahrdynamische Modell PeTra 2D x 0 (t)=?v x0 dt y 0 (t)=?v y0 dt ψ(t)=?ωdt V S

13 Das mathematische Modell Bewegungsgleichungen, die das Kräftegleichgewicht zwischen den Trägheitskräften der Schiffsmasse und der hydrodynamischen Masse und den äußeren Kräfte darstellen. Hydrodynamische Masse: Ausdruck für die kinetische Energie, die infolge der Schiffsbewegung in das Wasser abgegeben wird. V cos β ( m + mx ) ( m + my )( V sin β ) ω = X dt V sin β ( m + my ) + ( m + mx)( V cos β ) ω = Y dt 2 ω V ( I z + I hz ) ( my mx ) sin 2β = N dt 2 Äußere Kräfte Vortriebskräfte (Propeller) Steuerkräfte (Ruder, BSR etc.) infolge Bewegung an der freien Oberfläche Infolge der Viskosität des Wassers und Wirbelbildung (Widerstands und Auftriebskräfte) Infolge Bewegung in fließendem Gewässer

14 Berechnung der hydrodynamischen Masse Panelverfahren: der Körper wird in Panels unterteilt, auf den Panels werden Quellen angeordnet, deren Potenzial mithilfe der Grenzbedingungen berechnet werden. Anhand der Potenziale der Panels kann die hydrodynamische Masse berechnet werden. Annahmen: Hydrodynamisch schlanker Körper Reibungsfreie Flüssigkeit Spiegelung an der Wasseroberfläche

Berechnung der hydrodynamischen Masse Panelverfahren: der Körper wird in Panels unterteilt, auf den Panels werden Quellen angeordnet, deren Potenzial mithilfe der Grenzbedingungen berechnet

15 Berechnung der hydrodynamischen Masse Panelverfahren: der Körper wird in Panels unterteilt, auf den Panels werden Quellen angeordnet, deren Potenzial mithilfe der Grenzbedingungen berechnet werden. Anhand der Potenziale der Panels kann die hydrodynamische Masse berechnet werden. Annahmen: Hydrodynamisch schlanker Körper Reibungsfreie Flüssigkeit Spiegelung an der Wasseroberfläche

16 Äußere Kräfte Unterteilung in: Rumpfkräfte Bei Geradeausfahrt (Widerstand) Bei Manöver Bei Bewegung im Strom Propellerkräfte Ruderkräfte

17 Äußere Kräfte Unterteilung in: Rumpfkräfte Bei Geradeausfahrt (Widerstand) Bei Manöver Bei Bewegung im Strom Propellerkräfte Ruderkräfte

18 Äußere Kräfte Manöverkräfte Auftrieb lineare Kräfte linear vom Anströmwinkel abhängig Berechnung mit dem Impulsvervfahren dfy D dp( x) d( Vy ( x) m y ( x)) = = dx dt dx t dx Querwiderstand Nichtlinear vom Anströmwinkel abhängig Bestimmung mit CFD, Messungen F W = c w ρ ALV 2 2 y

x) d( Vy ( x) m y ( x)) = = dx dt dx t dx Querwiderstand Nichtlinear

19 Äußere Kräfte Manöverkräfte Auftrieb lineare Kräfte linear vom Anströmwinkel abhängig Berechnung mit dem Impulsvervfahren dfy D dp( x) d( Vy ( x) m y ( x)) = = dx dt dx t dx Querwiderstand Nichtlinear vom Anströmwinkel abhängig Bestimmung mit CFD, Messungen F W = c w ρ ALV 2 2 y

Äußere Kräfte Kräfte infolge Bewegung im Strom Annahme: Das Schiff beeinflusst nicht das 2D-Strömungsfeld Trägheitswirkungen der Strömung - berücksichtigt

20 Äußere Kräfte Kräfte infolge Bewegung im Strom Annahme: Das Schiff beeinflusst nicht das 2D-Strömungsfeld Trägheitswirkungen der Strömung - berücksichtigt mithilfe der hydrodynamischen Masse Lineare Kräfte -Bestimmung mit dem Impulsverfahrena Nichtlineare Kräfte -Bestimmung mithilfe des Querwiderstandbeiwertes

22 Vergleich PeTra 2D mit fahrdynamischen Naturmessungen Erweiterung der virtuellen Navigation durch einen Steuer- /Regelalgorithmus der Firma IN - Innovative Navigation GmbH Ruderkraft

23 zurück zum Programm Blick von der Loreley / Talfahrt des GMS Jowi zur Kurzfassung Zur Zeit wird eine Befahrbarkeitsmodell (PeTra 1D) zwischen Mainz und Koblenz für ausgewählte Abflusssituationen erstellt. Die Verifizierung erfolgt auf der Grundlage der Naturuntersuchungen aus den vergangen Jahren. Die Erweiterung auf ein 2D Modell ist an exponierten Stellen vorgesehen. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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