Kopplung von Fahrdynamik-Modellen mit Boussinesq-Wellenmodellen zur Untersuchung schiffserzeugter Wellen im Fernfeld

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Guido Hafner
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zur Untersuchung schiffserzeugter Wellen im Fernfeld

Schiffen B1 30 25 20 B1 15 10 5 0 119 120 121 122 123

Berechnung Fahrrinnenbreiten Rhein Erstellung eine

Trassierung in fließenden Gewässern Flussbauliches

1 zurück zum Inhaltsverzeichnis Kopplung von Fahrdynamik-Modellen mit Boussinesq-Wellenmodellen zur Untersuchung schiffserzeugter Wellen im Fernfeld zur Kurzfassung Fahrdyn: geodätische Einmessung von Schiffen B B km Trasse: Trassierung in stehenden Gewässern Berechnung Fahrrinnenbreiten Rhein Erstellung eine Geländemodells Berechnung Abtragsvolumen PeTra 1D: Trassierung in fließenden Gewässern Flussbauliches Modell Fahrdynamisches Modell aus Linienriss Rhein GMS zu Berg GMS zu Tal

PeTra 2D Bestimmung der Trägheitskräfte dvx dmx ( m+ mx ) + vx ( m+ my ) vyω

0 (t)= V y0 dt ψ(t)= ωdt dω dihz ( I + z Ihz) + ω + ( m y mx ) vxv = y N dt

hydrodynamische Masse m y aus Schiffsgeometrie Panelmethode mit Annahmen:

2 PeTra 2D Bestimmung der Trägheitskräfte dvx dmx ( m+ mx ) + vx ( m+ my ) vyω = X dt dt dvy dmy ( m+ my ) + vy + ( m+ mx ) vxω = Y dt dt x 0 (t)= V x0 dt y 0 (t)= V y0 dt ψ(t)= ωdt dω dihz ( I + z Ihz) + ω + ( m y mx ) vxv = y N dt dt Schiffsmasse m aus Verdrängung Einfluss veränderlicher Wassertiefe hydrodynamische Masse m y aus Schiffsgeometrie Panelmethode mit Annahmen: Hydrodynamisch schlanker Körper Reibungsfreie Flüssigkeit Spiegelung an der Wasseroberfläche

PeTra 2D Bestimmung der äußeren Kräfte X = X H + X P + X R + X BSR Gesamt Schiffsrumpf Propeller Ruder Bugruder

Söhngen) Y = Y H + Y P + Y R + Y BSR Gesamt Schiffsrumpf Propeller Ruder Bugruder N = N H + N P + N R + N BSR Gesamt

Impulsverfahren Auftrieb Anströmung Verfahren PROFIX (1D-Traglinientheorie) Widerstand dfy d( Vy ( x) my ( x)) = dx

3 PeTra 2D Bestimmung der äußeren Kräfte X = X H + X P + X R + X BSR Gesamt Schiffsrumpf Propeller Ruder Bugruder Abschätzung des Längswiderstandes mithilfe des Verfahrens QSquat (Prof. Söhngen) Y = Y H + Y P + Y R + Y BSR Gesamt Schiffsrumpf Propeller Ruder Bugruder N = N H + N P + N R + N BSR Gesamt Schiffsrumpf Propeller Ruder Bugruder Auftrieb lineare Kräfte linear vom Anströmwinkel abhängig Berechnung mit dem Impulsverfahren Auftrieb Anströmung Verfahren PROFIX (1D-Traglinientheorie) Widerstand dfy d( Vy ( x) my ( x)) = dx t dx Querwiderstand Nichtlinear vom Anströmwinkel abhängig Bestimmung mit CFD Berechnung Propellerkennlinie aus vorhandener Propellergeometrie. F W = c w ρ ALV 2 2 y

PeTra 2D Bestimmung der äußeren Kräfte X = X H + X P + X R + X BSR Gesamt Schiffsrumpf Propeller Ruder Bugruder Y = Y H + Y P + Y R + Y BSR Gesamt Schiffsrumpf Propeller Ruder Bugruder Modellierung

4 PeTra 2D Bestimmung der äußeren Kräfte X = X H + X P + X R + X BSR Gesamt Schiffsrumpf Propeller Ruder Bugruder Y = Y H + Y P + Y R + Y BSR Gesamt Schiffsrumpf Propeller Ruder Bugruder Modellierung der Bugstahlruderkräfte mit einer Polynomapproximation auf der Grundlage von Modell- bzw. Naturmessungen. N = N H + N P + N R + N BSR Gesamt Schiffsrumpf Propeller Ruder Bugruder 1,2 T/T 0 1 0,8 0,6 Modellierung der Ruderkraft beruht derzeit auf ein Flächenruder. Modelliert sind X R,Y R,N R als Funktion von Ruderblattgeometrie, Ruderwinkel, Strahlund Anströmgeschwindigkeit, Propellerdrehzahl und Nachstromziffer. 0,4 0,2 1,2 T/T 0 1 0, V/v J 4 0,6 0,4 0, V/v J 4

5 PeTra 2D Möglichkeiten und Grenzen PeTra 2D berücksichtigt PeTra 2D berücksichtigt nicht die Wirkung eines 2D- Strömungsfeldes die Leistungsfähigkeit der Antriebes die Leistungsfähigkeit der Ruderanlage die Wirkung des Bugstrahlruders Flachwassereffekte die Wechselwirkung Schiff / Wasser den Squat (wird pauschal vorgegeben)) die Wellengenerierung und -ausbreitung die Bankingeffekte die Windkräfte PeTra 2D liefert: die Fahrspur die eingesetzten Manövrierhilfen die möglichen Schiffsgeschwindigkeiten die Befahrbarkeit der Strecke

BoWave 2D Ein Boussinesq-Wellenmodell Simulation schiffserzeugter Wellen 2D Boussinesq-Wellenmodell für variable Wassertiefe Ausbreitung nichtlinearer kurzer

6 BoWave 2D Ein Boussinesq-Wellenmodell Simulation schiffserzeugter Wellen 2D Boussinesq-Wellenmodell für variable Wassertiefe Ausbreitung nichtlinearer kurzer Flachwasserwellen Modellierung der Schiffsgeometrie und position Erzeugung der Wellen durch Struktur-Fluid-Kopplung Effiziente Wellenberechnung in großen Arealen

7 BoWave 2D Ein Boussinesq-Wellenmodell Typische Einsatzgebiete von Boussinesq-Wellenmodellen (traditionell) Wellenunruhe in Häfen Seegangssimulation im Küstennahfeld Erweitertes Einsatzgebiet von BoWave 2D Erzeugung und Ausbreitung schiffsinduzierter Wellen

8 BoWave 2D Theoretische Grundlage Euler-Gleichungen für Schwerewellen Kontinuitäts- und Impulsgleichung im Fluid D z η Dynamische und kinematische Randbedingung an der freien Oberfläche η Randbedingung am Boden -D

9 BoWave 2D Herleitung der Boussinesq-Wellengleichungen Vertikalintegration der Euler-Gleichungen 1. Voraussetzung: Im Fluid D z η gilt (Rotationsfrei bzgl. der Vertikalen) 2. Voraussetzung: Die Geschwindigkeitskomponenten sind analytisch in z 3. Einschränkung der Approximationsordnung

10 BoWave 2D Boussinesq-Wellengleichungen Ergebnis: Boussinesq-Wellengleichungen Flachwassergleichungen Boussinesq-Wellengleichungen Frequenzdispersive Terme Boussinesq-Terme

11 BoWave 2D Charakterisierung Modelltyp und -eigenschaften Phasenauflösendes (zeitdiskretes) Modell typische Ortsauflösung 1m typischer Zeitschritt 0,05s Tiefenintegriertes (2D-)Modell analytische Geschwindigkeitsprofile vorausgesetzt 3 Zustandsgrößen Wasserspiegelauslenkung horizontale Geschwindigkeitsvariablen Modellierbare Phänomene Diffraktion Shoaling, Refraktion Nichtlineare Transformationen Stabile nichtlineare Wellen (Solitone, cnoidale Wellen)

12 BoWave 2D Erweiterungen Erweiterungen der konventionellen Boussinesq-Gleichungen Bereits enthalten: Tiefwassererweiterung Shoaling, Refraktion durch Strömungsfeld Pseudo-Viskosität Weitere Optionen: Boden- und Wandreibung Wellenbrechen Wellenauflauf und überlauf Impulseintrag (z. B. Schraubstrahl) Aktuell: Modellierung bewegter geometrischer Körper

13 BoWave 2D Einschränkungen Einschränkungen sehr kurze Wellen werden nicht erfasst (D/L > 1) Diskretisierungsbedingungen Δx < D < 16 Δx, Δt < Δx/c, L > 8Δx typische 3D-Effekte fehlen

14 BoWave 2D Kopplung Wellenerzeugung und -ausbreitung Wellenerzeugung direkte Kopplung von Struktur und Fluid: Tiefgang eines Schiffes bildet geometrische Zwangsbedingung für die (ansonsten freie) Oberfläche Wellenausbreitung große Areale effizient modellierbar genaue Ergebnisse für Wellen im Anwendungsbereich

15 BoWave 2D Kopplung Wellenrückwirkung Modell berechnet Zustandsvariablen und Vertikalprofile für Druck und Geschwindigkeitsvektor

16 BoWave 2D Anwendungstest Ergebnisse Ortskurven der Wasserspiegelauslenkung Start 60s 120s 180s 240s 300s

17 zurück zum Inhaltsverzeichnis zur Kurzfassung Erwartete Verbesserung nach erfolgreicher Kopplung Wellenausbreitung Berücksichtigung von - Wellengenerierung und -ausbreitung - hydraulische Belastung am Ufer durch Wellen - Korrektur Strömungsfeld infolge Schiffseinwirkung Fahrdynamik Berücksichtigung von - Wechselwirkung Schiff / Wasser - Wasserspiegeldeformation => Squat - Bankingeffekte

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