Untersuchungen zur Schraubenstrahlbelastung der Rheinsohle

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1 zurück zum Inhaltsverzeichnis zur Kurzfassung BAW-Kolloquium Verkehrswasserbauliche Untersuchungen am Rhein, Karlsruhe, Untersuchungen zur Schraubenstrahlbelastung der Rheinsohle Detlef Spitzer, BAW, Referat W4

2 EINLEITUNG: AKTUELLE HERAUSFORDERUNGEN DES BINNENVERKEHRSWASSERBAUS Maßnahmen zur Erhaltung der Leistungsfähigkeit des Rheins als Schifffahrtsstraße müssen den sich wandelnden Anforderungen der Schifffahrt angepasst werden. Erhöhtes Verkehrsaufkommen Größere Schiffe Neue, stärkere Schiffsantriebe Gewässerökologie und Klimawandel Die wissenschaftliche Untersuchung des Einflusses der Schifffahrt auf das Gewässerbett unter den veränderten Bedingungen ist eine wesentliche Aufgabe.

3 EINLEITUNG: SCHIFFSINDUZIERTE BELASTUNGEN DES GEWÄSSERBETTS Bugwelle Absunk Rückströmung Rückströmung Nachlauf Nachlauf Heckwelle Wiederauffüllungsströmung Sekundärwellen Propellerstrahl Propellerstrahl

4 ZIELSETZUNG UND GLIEDERUNG DES VORTRAGS 1. Untersuchungen der vergangenen Jahre zum Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion des Rheins 2. Ermittlung Schraubenstrahlbelastung von Gewässersohlen nach GBB (2004) 3. FuE-Projekt Einwirkung des Propellerstrahls auf die die Gewässersohle - Ergebnisse ( ) 4. Schlussfolgerungen und Ausblick für die Projektarbeit

5 1. Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion Rückstromwirkung auf Rheinsohlerosion BAW, 1999: Einfluss stärker motorisierter und längerer Schiffe auf die Sohlerosion des Rheins Veranlassung: Zielstellung: Zulassung des ügms Wirkung des Rückstromfeldes zukünftiger Schiffe auf Sohlerosion (Längen von 135 m, größere Breite, höherer Motorleistung) auf Sohlerosion Höhe [m+nn] Westhoven, Rhein-km 681,000 Talweg Talweg Mittlere Mittlere Sohlenlage Sohlenlage GlW GlW1990 Rhein-km

6 1. Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion Rückstromwirkung auf Rheinsohlerosion BAW, 2002: Untersuchung des Einflusses der Schifffahrt auf den Geschiebetransport des Rheins Zielstellung: Grobanalyse Grobanalyse zum zum Einfluss Einfluss von von -- Flottenstruktur, Flottenstruktur, -- Gütermengen Gütermengen und und -- Gewässerquerschnitt auf auf den den Sedimenttransport Sedimenttransport (Bezugsjahr (Bezugsjahr 1993, 1993, Prognosejahr Prognosejahr 2010) 2010) Höhe [m+nn] Kemptener Stromarm/Rheingau Rhein-km 526, ,000 Westhoven, Rhein-km 681,000 Talweg Talweg Mittlere Mittlere Sohlenlage Sohlenlage GlW GlW1990 Emmericher Ward Rhein-km 653, ,00 Rhein-km

7 1. Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion Rückstromwirkung auf Rheinsohlerosion Anteile des schiffsinduzierten am gesamten Geschiebetransport für drei untersuchte Stützstellen am Rhein Kemptener Stromarm/ Wesseling Emmericher Ward Jahres- Rheingau geschiebe- Stst Stst Stst transport- Rh-km 527,500 Rh-km 669,300 Rh-km 853,800 volumen [%] [%] [%] [%] [%] [%] gesamt natürlich 96,5 94,7 88,3 80,8 95,6 89,9 Schifffahrt 3,5 5,3 11,7 19,2 4,6 11,2 Die größte Erhöhung liegt bei rd. 19% Für den schiffsinduzierten Geschiebetransport ist mittleres Rückströmungsfeld von Bergfahrern maßgebend Geringer schifffahrtserzeugte Geschiebetransport im Vergleich zum natürlichen Transport bei kleinen charakteristischen Korndurchmessern (bei 6-8 mm am größten) Schifffahrtserzeugte Anteil des Geschiebetransports ist nahezu linear von der Gütermenge abhängig Die Abhängigkeit des Geschiebetransports von den Änderungen der lokalen Flottenstrukturen ist nicht dominant

8 1. Schifffahrtseinfluss auf 1. die Schifffahrtseinfluss Sohlerosion - Naturuntersuchungen auf die Sohlerosion Auftrag des WSA Köln zur Rheinsohlerosion bildet Ausgangspunkt für weitergehende Untersuchungen Rückstrom, Schraubstrahl, Schiffswellen, HN-Simulation Naturuntersuchungen WDK (2002): Überprüfung der Berechnungsgrundlagen Strahlausbreitung und Deckwerkbelastung WDK (2005) Untersuchungen zum Schraubstrahleinfluss: Fokus auf Verbesserung der Berechnungsgrundlagen für die Bemessung von Deckwerken Ufer- und Sohlbelastung WDK (2007)

9 1. Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion - Naturuntersuchungen Naturversuche WDK 2005 Versuchsaufbau WDK-km 2,255 WDK-km 2,305 Positionen: Ponton Böschung Böschungsfußpunkt Messachse 1 H-ADCP Messachse 2 Uferlinie Hauptantrieb MS Main Schiffslängsachse Versuchs- Schiff Versuchsschiff Sonde 5 Sonde 3 / 4 Sonde 2 Sonde 1 Sonde 7 / ADCP Sonde 6 Antrieb MS Henneburg Veränderliche Schiffspostion 2 Messachsen Haupmessachse mit Geschwindigkeitssonden Deckwerkssteinen (Kugelteppich)

10 1. Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion - Naturuntersuchungen Naturversuche WDK 2005 Versuchsdurchführung Variation: Abladetiefe, Abstand, Drehzahl, Ruderwinkel 3-18 m 4 m 2,2-2,8 m Hauptantrieb MS Main 3D-v-Sonden Sohle Abtastrate: 32 Hz cm Sohle Kugelteppich zur Messung der Kräfte auf Deckwerksteine Antrieb MS Henneburg d = 20 cm

11 1. Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion - Naturuntersuchungen Naturversuche WDK 2005 Geschwindigkeiten und Kräfte auf Deckwerkssteine v in [m/s] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0 V Z (V X 2 +V Y 2 ) 1/2 Zeitreihe der strahlinduzierte Geschwindigkeiten auf ein Kugelelement (MS Main, Position 3, Ruderwinkel = 0 ) Kraft in [N] 16:27:40 16:27:50 16:28:00 16:28:10 16:28:20 16:28: Schubkraft Liftkraft Zu den strahlinduzierten Geschwindigkeiten korrespondierende Kräfte auf das Kugelelement :27:40 16:27:50 16:28:00 16:28:10 16:28:20 16:28:30 Zeit in [hh:m m :ss] Extrem instationäre Belastungen! Variationsbreite erreicht Größe der Meßwerte!

12 1. Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion - Naturuntersuchungen Naturversuche WDK 2007 Verkehrsbeobachtung Ziel: Ermittlung Belastung von Ufer und Böschung durch Berufsschifffahrt Messgrößen: Fließgeschwindigkeit über Sohle und Böschung Wellenhöhen im Böschungsbereich Schiffsabmessungen und Tiefgänge Schiffsgeschwindigkeiten Auswertung: Klassifizierung der Berufsschiffe nach Abladetiefen und Breiten

13 1. Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion - Naturuntersuchungen Naturversuche WDK 2007 Messergebnisse Interpretation der Geschwindigkeitsganglinien Rückstrom ν rück ν 0 Nachlauf ν nach Schraubstrahl Geschwindigkeitsganglinie infolge von Rückstrom, Nachlauf und Propellerstrahl

14 1. Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion - Naturuntersuchungen Naturversuche WDK 2007 Messergebnisse Interpretation der Geschwindigkeitsganglinien Rückstrom ν rück ν 0 Nachlauf ν nach Größenordnung der Geschwindigkeiten bei allen Belastungsgrößen ähnliche Schraubstrahl Geschwindigkeitsganglinie infolge von Rückstrom, Nachlauf und Propellerstrahl Nachlauf, Rückströmung,Propulsion: Zunahme mit Schiffsgeschwindigkeiten bei kleinen Flottwassertiefen Propeller: auch großer Einfluss Heckform, Antrieb und Ruder große Schwankungen

15 1. Schifffahrtseinfluss auf die Sohlerosion - Naturuntersuchungen Naturversuche WDK 2007 Messergebnisse Interpretation der Geschwindigkeitsganglinien Rückstrom ν rück ν 0 Nachlauf ν nach Größenordnung der Geschwindigkeiten bei allen Belastungsgrößen ähnliche Schraubstrahl Geschwindigkeitsganglinie infolge von Rückstrom, Maximalwerte der Sohlgeschwindigkeit infolge aus Nachlauf Schraubenstrahl und Propellerstrahl Nachlauf, Rückströmung,Propulsion: Zunahme mit Schiffsgeschwindigkeiten bei kleinen Flottwassertiefen Propeller: auch großer Einfluss Heckform, Antrieb und Ruder große Schwankungen

16 2. Schraubenstrahlbelastung von Gewässersohlen nach GBB (2004) Abhängigkeit der Strahlgeometrie von der Ruderanordnung am Schiff und der Beschränkung des Ausbreitungsraums (Standardsituationen) 1. Antrieb ohne seitliche Begrenzung ohne Strahlteilung 2. Antrieb ohne seitliche Begrenzung mit Strahlteilung 3. Antrieb mit seitliche Begrenzung mit Strahlteilung 4. Antrieb mit Begrenzung durch Prallwand ohne Strahlteilung

17 2. Schraubenstrahlbelastung von Gewässersohlen nach GBB (2004) Berechnungsweg in 3 Schritten 1. Bestimmung der induzierten Strahlgeschwindigkeit mit Propellerdaten, v S = 0 v 0 = CnD P K T Römisch (1975) v 0 n D P K T induzierte Anfangsgeschwindigkeit nach erfolgter Strahlkontraktion [m/s] Drehzahl des Propellers [1/s] Propellerdurchmesser [m] Schubbeiwert des Propellers für v S = 0 [-], K T =T/ ρ n 2 D 4, T = Schub [N] C=1,6 Beiwert,Propeller ohne Düse C=1,1 Beiwert, Propeller mit Düse aus Maschinenleistung, v S = 0 v 0 = C ρ P d 2 W DP 1/ 3 Blauuw&Van der Kaa (1978) P d v 0 Propellerleistung [W] induzierte Anfangsgeschwindigkeit [m/s] (bei Propellern ohne Düse nach erfolgter Strahlkontraktion) ρ W Dichte des Wasser [kg/m 3 C' =1,48 Beiwert, Propeller ohne Düse C' =1,17 Beiwert, Propeller mit Düse

18 2. Schraubenstrahlbelastung von Gewässersohlen nach GBB (2004) 1. Bestimmung der induzierten Strahlgeschwindigkeit 2. Ermittlung der maximalen Sohlgeschwindigkeit v S,max D vs, max E h = P v 0 Fuehrer&Römisch (1975) h p Höhenlage der Propellerachse über der Sohle [m] E Beiwert zur Charakterisierung von Heckform und Ruderanordnung [-] E = 0,71 für schlanke Heckformen mit Zentralruder E = 0,42 für schlanke Heckformen ohne Zentralruder E = 0,25 für moderne Binnenschiffe mit Tunnelheck und Zwillingsruder

19 2. Schraubenstrahlbelastung von Gewässersohlen nach GBB (2004) 1. Bestimmung der induzierten Strahlgeschwindigkeit 2. Ermittlung der maximalen Sohlgeschwindigkeit v S,max Ermittlung der kritischen Sohlgeschwindigkeit v S,krit für das Sohlmaterial bzw. die erforderliche Sohlsicherung mit v S,krit > v S,max v = S, krit BS D50 g ρ S Isbash-Formel ρ ρ w W D 50 Korndurchmesser der Sohle bei 50% Siebdurchgang [m] B S Stabilitätsfaktor [-] ρ W ρ S Dichte des Wassers [kg/m³] Dichte des Schüttsteinmaterials [kg/m³]

20 2. Schraubenstrahlbelastung von Gewässersohlen nach GBB (2004) Erfahrungen bei der praktischen Anwendung der Ansätze Beschreiben Grundzusammenhänge der Schraubstrahlerosion gut Bestens geeignet für Vergleichsuntersuchungen Zum Teil sehr große Sohlgeschwindigkeiten und Sohlsicherungen Einflüsse aus der Schiffsgeometrie, der Gestaltung des Antriebs und des Ruders auf die Strahlausbreitung werden nicht allumfassend berücksichtigt

21 2. Schraubenstrahlbelastung von Gewässersohlen nach GBB (2004) Ausbreitungscharakteristik unterschiedlicher Antriebsarten (Uliczka, 2000) Einrumpf- Einschraubenantrieb Einrumpf-Zweischraubenantrieb Einrumpf-Gondelantrieb Unter Pfahlzugbedingung und Fahrt mit geringer Anströmung Doppelrumpf-Schraubenantrieb Doppelrumpf-Wasserstrahlantrieb Alle Systeme bei gleichem Wasserstand (d = 10 m; nur Einzelpropeller d = 12 m) Vergleichbare Systeme mit gleichem Tiefgang (gleiche UKCR)

22 2. Schraubenstrahlbelastung von Gewässersohlen nach GBB (2004) Ausbildung Schiff/Propulsion/Ruder bedingen Veränderung der Strahlausbreitung (Ausbreitungswinkel, Verteilung,Sohlbelastung Durch veränderte Konzepte kann die Sohlbelastung durch den Antriebsstrahl herabgesetzt werden

23 2. Schraubenstrahlbelastung von Gewässersohlen nach GBB (2004) Erfahrungen bei der praktischen Anwendung der Ansätze Beschreiben Grundzusammenhänge der Schraubstrahlerosion gut Bestens geeignet für Vergleichsuntersuchungen Zum Teil sehr große Sohlgeschwindigkeiten und Sohlsicherungen Einflüsse aus der Schiffsgeometrie, der Gestaltung des Antriebs und des Ruders auf die Strahlausbreitung werden nicht allumfassend berücksichtigt Kein Einfluss der Strahlturbulenz und des Dralls auf die Strahlausbreitung und die Sohlerosion Gelten nicht für kurzzeitige Belastungen (Anfahren, Überfahrt, Stoppen)

24 3. FuE-Projekt Einwirkung des Propellerstrahls auf die die Gewässersohle Forschungskooperation mit dem Leichtweiß-Institut für Wasserbau Erstellung einer Datenbank und Entwicklung empirischer Formeln zum Schraubenkolk 1. Literaturrecherche und Erstellung einer Datenbank zum Schraubenkolk 2. Auswertung vorliegender Untersuchungsergebnisse zur Ermittlung einer Formel für die Endkolktiefe 3. Auswertung vorliegender Untersuchungsergebnisse zur Ermittlung des zeitlichen Kolkungsvorgangs

25 3. FuE-Projekt Einwirkung des Propellerstrahls auf die die Gewässersohle Einfluss des Fahrzustandes des Schiffes Fahrtrichtung verharrendes Schiff anfahrendes Schiff depth 0,75 m d 50 =4,6 mm fahrendes Schiff aufstoppendes Schiff

26 3. FuE-Projekt Einwirkung des Propellerstrahls auf die die Gewässersohle Phase 1: Aufbau einer Datenbank Prämisse aus vorliegenden Erfahrungen: Schiffsgeometrie und Ruder (Beiwert E) und Belastungszustand beeinflussen die Hydrodynamik des Strahls Unterteilung Endkolktiefe / zeitlicher Verlauf der Kolkung Unterscheidung Daten mit Propellern, ohne Ruder und mit Ruder, mit Schiffen Enthaltene Versuchsdaten und Versuchsreihen: Queen s University of Belfast (Hamill) Versuchsanstalt für Wasserbau und Schiffbau (Oebius) Forschungsanstalt für Schifffahrt,Wasser und Grundbau (Römisch, Fuehrer) Bundesanstalt für Wasserbau (Felkel) Leichtweiß-Institut für Wasserbau (Schmidt)

27 3. FuE-Projekt Einwirkung des Propellerstrahls auf die die Gewässersohle Phase 2: Endkolktiefe Überprüfung bestehender und Entwicklung neuer Ansätze berechnete relative Kolktiefe Berechnungsansätze Berechnete Kolktiefen zu groß! gemessene relative Kolktiefe x = y berechnete relative Kolktiefe 1,0 0,5 p T p p ε h K nd D = 1, 81 d 50 D p d d 50g Δ 50 gemessene relative Kolktiefe x = y Gute Übereinstimmung mit neuem Regressionsansatz! Ergebnisse der Auswertung vorhandener Kolkdaten: Keinen Einfluss der Korngröße auf die Endkolktiefe nachweisbar Ursache: Versuche im Modell fast nur mit Sanden! Bei allen Daten: Turbulenz, Drall nicht erfassst Kaum Daten zur Kolkung aus kurzzeitigen Schraubenstrahlbelastungen, keine Berechnungsansätze dafür

28 3. FuE-Projekt Einwirkung des Propellerstrahls auf die die Gewässersohle Phase 3 Beurteilung der Genauigkeit vorliegender Formeln für die zeitliche Kolkung auf Grundlage einer Berechnung von Kolktiefen für den Mittelrhein Grundlage: Abschätzung der Strahleinwirkdauer für a) die stationäre Fahrt und b) ein anfahrendes Schiff über einen Ansatz 1a) Näherung stationäre Fahrt (nach Söhngen): l p = hp 2 tan α 1 h p D / tan α 2 2 1b) Näherung anfahrendes Schiff (nach Söhngen): t = E V l p SÜG Bewegungsgleichung ( m + mh ) x& = S S=Antriebskraft b Bedingung = S ( m + m ) s const t E l 2 p (m S + m h )

29 3. FuE-Projekt Einwirkung des Propellerstrahls auf die die Gewässersohle Ergebnisse BSQUAT Modellrechnungen: GMS (Modell 1847, DST 1889) in der stationären Bergfahrt l S = 110m, b S =11,4m, 2-Schrauber, Abstand der Propellerachsen 5,5 m, D=1,76 m, P/D=1,05 Je ein angenähertes Querprofil von Rheingau und Gebirgsstrecke GlW und GlW + 1,25 m v S : 90 % installierte Leistung (1200 kw nach GBB) bzw. 90 % v krit Größ ößere Nennleistung bei GlW+1,25 m Gleicher Propellerabstand zur Sohle

30 3. FuE-Projekt Einwirkung des Propellerstrahls auf die die Gewässersohle Ergebnisse Kolktiefenberechnungen mit ausgewählten Ansätzen stationäre Fahrt: negativ: Große Abweichungen der Berechnungsergebnisse! Positiv: Bei größerem Leistungseinsatz größere Kolktiefen!

31 3. FuE-Projekt Einwirkung des Propellerstrahls auf die die Gewässersohle Ergebnisse Kolktiefenberechnungen mit ausgewählten Ansätzen Anfahren mit Leistung und Squat der stationären Fahrt: Naturversuche WDK 2005: Anfahren und Stoppen bei kleinen Flottwassertiefen Vergleich gemessener und berechneter Kolktiefen aus Anfahr- und Stoppversuchen mit GMS (MS Main und MS Henneburg) auf dem WDK 2005 bei kleinen Flottwassertiefen berechnete Kolktiefe hk 8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0,000 0,000 0,100 0,200 0,300 gemessene Kolktiefe hk Beste Übereinstimmung Hamill 1988 Qurrain 1994 Hashmi 2007 Hamill et al LWI - Bericht 956 LWI - Bericht 977 Linear (Beste Übereinstimmung) Große Abweichungen der Ansätze untereinander. Die berechneten Kolktiefen sind i. d. R. viel zu groß!

32 4 Zusammenfassung - Stand der Schraubenstrahlbemessung für Gewässersohlen Maßgebende Einflüsse auf den Sedimenttransport an Gewässersohlen aus Rückstrom, den Nachlauf und Schraubenstrahl von Schiffen. Bestimmend für den Geschiebetransport ist der Rückstrom. Die größten lokalen Belastungen (Kolke) entstehen durch den Schraubenstrahl. Schraubenstrahlenerosion ist ein sehr komplexer Vorgang. Wird vom Schiffsantrieb, der Heckform und der Ruderausbildung beeinflusst. Vorhandene Berechnungsansätze für Schraubenkolke ergeben große Abweichungen in Ergebnissen. Einfluss von Turbulenz und Dralls auf die Strahlausbreitung bleibt unberücksichtigt. Nur wenige Daten zur Kolkung aus kurzzeitigen Schraubenstrahlbelastungen durch Anfahren und Stoppen. Keine anerkannten Berechnungsansätze. Für praktische Berechnungen zur Erosion durch Schraubenstrahlen auch zukünftig semiempirische Methoden. Verbesserung des Stands erfordert anspruchsvolle experimentelle Untersuchungen. Starke Entwicklung der 3D-HN-Modellierung in der Vergangenheit. Komplexität und Rechenzeit schränken z. Zt. die praktische Anwendung ein.

33 4. AUSBLICK - FORSCHUNGSBEDARF UND DARAUS FOLGENDE UNTERSUCHUNGSSCHWERPUNKTE zurück zum Inhaltsverzeichnis zur Kurzfassung k-ε-modell Numerik Strahlausbreitung Lattice Boltzmann Verfahren / Krafczyk Uni Braunschweig Distinct Element Method zur Steinverlagerung (DH) LES- Modell Datenbank Kolke aus Sohlstrahl Sohlstrahl - basierte Kolkformel Neue Modellversuche LWI Braunschweig