Klärung des widerstandserhöhenden Effektes bei Talfahrt von Binnenschiffen

61 Pages·1960·6.234 MB·German

by  Prof. Dipl.-Ing. Wilhelm Sturtzel, Dipl.-Ing. Hermann Schmidt-Stiebitz (auth.)

DK 629.122
FORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.852
Prof. Dipl.-Ing. Wilhelm SturtzeI
Dipl.-Ing. Hermann Schmidt-Stiebitz
Lehrstuhl für Schiffbau an der TH Aachen
Institut: Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e. V., Duisburg
Klärung des widerstandserhöhenden Effektes bei Talfahrt
von Binnenschiffen
26. Veröffentlichung der VBO
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1960
ISBN 978-3-663-03695-1 ISBN 978-3-663-04884-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04884-8
G 1 i e der u n g
s.
1. Einführung. 5
2. Planung der Versuche s. 5
3. Durchführung der Versuche s. 6
3.1 Modelle s. 6
3.2 Meßverfahren • s. 7
4. Versuchsergebnisse S. 8
4.1 Vergleich mit Luftströmungen • S. 8
4.2 Geschwindigkeitsverteilungen . S. 11
4.3 Widerstand bei verschiedenen Trimmwinkeln s. 15
4.4 Gleitzahl S. 17
4.5 Widerstandsbestimmung bei Strömung aus
Ergebnissen bei ruhendem Wasser S. 17
5. Zusammenfassung s. 19
6. Literaturverzeichnis S. 20
Anhang S. 21
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1. Einführung
Über die Erscheinung der Widerstandsvergrößerung bei Talfahrt gegenüber
Bergfahrt unter sonst gleichen Bedingungen herrschte in Fachkreisen
weitgehend Unklarheit. Es ist deswegen der Versuch geplant gewesen, den
Ursachen für die infolge von Strömung hervorgerufenen Änderungen des
Schiffswiderstandes durch Vergleichsbetrachtungen zu dem sich in einer
Luftströmung bewegenden Flugzeug auf die Spur zu kommen, für das unter
Anwendung der Flugzeugpolare sehr einfache Beziehungen bestehen. Eine
nach Stellung des Antrages auf das vorliegende Forschungsvorhaben durch
geführte theoretische Arbeit [1J basiert auf der Wellentheorie und be
nutzt als Bezugsgeschwindigkeit wie auch die übrigen Untersuchungen [2J
die Bewegung des Schiffes gegenüber dem umgebenden Wasser in einer
bestimmten Höhe. In der vorliegenden Untersuchung wird von der Ge
sChwindigkeitsverteilung über der Höhe ausgegangen und durch Messungen
nachgewiesen, daß für die Widerstandsverhältnisse des Schiffes Änderun
gen des gesamten Strömungsprofils maßgebend werden. Mit Hilfe der
übrigen Veränderlichen, wie Absenkung und Trimm, wird eine Erklärung
für den Sachverhalt gefunden und neben allgemein interessierenden Ent
wurfsrichtlinien eine einfache Beziehung für die Ermittlung des Wider
standes in strömendem Wasser aus dem Widerstandsverlauf in ruhendem
Wasser angegeben. Die Untersuchung beschränkt sich entsprechend dem
Fahrbereich der verwendeten Modelle auf unterkritische Geschwindig
keiten.
2. Planung der Versuche
konstant veränderlich Werte
Kanal großer Tank Wasserhöhe L = 140 m
schwimmender stehendes und B = 9,8 m
Strand strömendes Wasser
Modell Länge L = 5000 mm
Breite B = 600 mm
M 113 Rechteck-Hauptspant Tg = 135 mm
über Mittelschiffs-
länge 0 B = 0,825
L' L' = 2750 mm
M 115 Rechteck-Hauptspant
®
gleicher Lateral-
plan B = 0,638
Turbulenz-
keine
erzeuger
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konstant veränderlich Werte
Anhänge 1 Einflächen-
Balance-Ruder ß = 0°
2
Größe und Anordnung F = 0,041 m
Propulsions- h
° ne
organ
Flachwasser- 2 Wasserhöhen Hw = 260 u.360 mm
verhältnis je Wasserhöhe 1 Tiefgang Tg = 135 mm
1 ) Wider- bei stehendem Geschwindigkeit v =0 bis v
Meßwagen max.
stands- Wasser
-
fahrten Trimmwinkel 4> = + 2° bis 20
2) Wider- gegen strömendes Geschwindigkeit vMeßw• = 0 bis v max
stands- Wasser
fahrten (Bergfahrt) Trimmwinkel 4> = + 2° bis - 20
3) Wider- in Strömungs- Geschwindigkeit vMeßw• = VStrom
stands- richtung
bis v
fahrten (Talfahrt) max
Trimmwinkel 4> = + 2° bis - 20
-
1 ) 3):
Messung mittels Meßwerte
Dehnungsmeß- Strömungsgeschwin-
streifen digkeit
elektrisch Widerstand
und mechanisch Absenkung
mittels Gewichten Trimm
und Fadenneigung
Meßfahrten Strömungsvertei- Strömungsgeschwin-
mit Modell lungsmessung digkeit neben und
mittels Pitotrohr unter dem Modell
Kanal- Messung der Ge- Meßwerte
strömung schwindigkeits- Strömungsgeschwin-
verteilung mittels digkei tin ver-
Pitotrohr und schiedenen Höhen
Ottflügel
3. Durchführung der Versuche
3.1 Modelle
Von früheren Drehkreis- und Schrägschleppversuchen [3J her waren zwei
Modelle vorhanden, die dem beabsichtigten Vergleich der vorliegenden
Versuche entsprachen und wieder verwendet wurden. Sie besaßen gleiches
Längen- zu Breitenverhältnis wie auch gleichen Lateralplan und gleiche
Rechteck-Hauptspantform. Während das Modell M 113 mit seinem über
0,55 L reichenden parallelen Mittelschiff einen Völligkeitsgrad von
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Ö = 0,825 besaß, ergab der schlankere Spantenriß des Modells M 115
mit fehlendem parallelem Mittelschiff eine Völligkeit von 5 = 0,638
(Modellabmessungen in [3J). Sie wurden mit Ruder in Nullage mit der
üblichen Geradführung vom Meßwagen geradeaus geschleppt.
3.2 Meßverfahren
Zur Widerstandsmessung diente ein Dehnungsmeßstreifen am im Modell ge
lagerten Biegeelement, das über einen auf Schneiden gelagerten Winkel
bock durch aufgelegte Gewichte entlastet wurde. Wie sich im Laufe der
Versuche herausstellte, ergaben sich beim Wechsel der Entlastungsge
wichte Unstimmigkeiten in den Meßergebnissen. so daß die wichtigsten
Meßvarianten nach dem bisher üblichen mechanisch arbeitenden Meßverfah
ren überprüft werden mußten. Inzwischen hat sich ergeben, daß das elek
trische Verfahren weiterverwendet werden kann, wenn man die Entlastung
des Biegeelementes durch waagerechten Fadenzug wie beim mechanischen
Verfahren vornimmt und die Ausbiegung des Biegeelementes in den zu
lässigen Grenzen durch Anschläge sicherstellt. Bei Fahrten in strömen
dem Wasser wurde 1. die Meßwagengeschwindigkeit gegenüber Erde und 2.
die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers gemessen. Die Strömungsge
schwindigkeit des Wassers wurde beim Einregulieren der Strömungspumpen
vor Beginn der Versuche durch auf der Oberfläche schwimmende Hölzchen
gestoppt. Die genaue Geschwindigkeitsverteilung im strömenden Wasser
ohne Anwesenheit eines Modells wurde der Höhe nach an einzelnen Meß
stellen des Kanals gesondert mittels Pitotrohr und auch mittels Ott
flügel gemessen. Mittels Pitotrohr wurde auch die Strömungsverteilung
bei fahrendem Modell mit Strömung in seitlichen und Mittelebenen ge
messen. Der Ott-Flügel erlaubt infolge seines großen Durchmessers nicht,
die wand- oder oberflächennahen Randgebiete mit zu erfassen. Das Pitot
rohr mit einem Durchmesser von 11 mm verkleinert den Mindestabstand auf
etwa 6 bis 7 mm. Die zunächst an die Pitotrohre angeschlossenen alkohol
gefüllten Schrägrohrmanometer führten zu keinen befriedigenden Meßer
gebnissen. Nach längerem Experimentieren wurde eine gangbare Lösung
in der Weise gefunden, daß unter Vermeidung von druckübertragenden
Luftsäulen das Tankwasser in beiden Druckleitungen zu schräggestellten
parallelen Glasröhren geführt wurde, deren obere Enden luftdicht mit
einander verbunden waren. Da nun beide Wassersäulen den im strömenden
Wasser auftretenden zeitlichen Geschwindigkeitsschwankungen unterwor
fen waren, war der Bedarf an Meßpersonal sehr hoch, denn es mußte mit
der Meßskalenbasis von einer Person der Meniskus der unteren Säule
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Seite
verfolgt und von der zweiten Person der Skalenwert an der oberen Säule
abgelesen werden. Da kaum mehr als vier Mann im allgemeinen zur Verfü
gung standen, konnte praktisch nur mit zwei Pitotrohren gleichzeitig
gemessen werden. Günstige Rohrbenetzung und Meniskusbildung konnte durch
vorherige Behandlung der Wassersäulen und Glasrohre mit Pril erreicht
werden.
Die senkrechten Druckleitungen der angelieferten Pitotrohre waren mit
einer Röhre großen Kreisquerschnitts verkleidet, an der sich in manchen
Fahrbereichen KARMANsehe Wirbelstraßen ablösten und das Rohr zum Schwin
gen quer zur Strömungsrichtung anfachten. Durch die dabei entstehende
Schräganströmung der Druckanbohrung ergaben sich beobachtbare Meßunge
nauigkeiten. Durch die zeitlichen Geschwindigkeitsschwankungen im strö
menden Wasser waren die Messungen am Modell erschwert. Wegen der über
Kanallänge abnehmenden Wasserspiegelhöhe bei waagerechtem Kanalboden
konnte aus Vergleichsgründen die Messung jeweils nur an einer bestimm
ten Stelle des Kanals, und zwar auch nur in einem kleinen Strecken
bereich stattfinden. Diese Stelle mußte wegen der erforderlichen An
laufs trecke bei Tal- und Bergfahrt verlegt werden. Zur Fixierung der
Weglängen waren über Kanallänge Lichtschranken in 20 m Abstand ange
bracht worden, die auf dem Meßstreifen elektrisch übertragen wurden.
4. Versuchsergebnisse
4.1 Vergleich mit Luftströmungen
In den bisherigen Berichten über Modellversuche in strömendem Wasser
[2, 4, 5J wird als Bezugsmaß die Schiffsges~hwindigkeit gegenüber dem
umgebenden Wasser benutzt. Sie ist im allgemeinen in der Weise gemessen
worden, daß sich ein Staurohr oder ein Ott-Flügel ein oder zwei Modell
längen vor dem Schiff auf einer bestimmten Wasserhöhe, z.B. 0,85 . H
befunden hat. Bei der vorliegenden Untersuchung ist Wert auf die Kennt
nis der Geschwindigkeitsverteilung der unbeeinflußten und der beein
flußten Strömung gelegt worden. Deshalb ist die Geschwindigkeitsvertei
lung der Kanalströmung ohne und mit verschieden schnell fahrendem Modell
gemessen worden. Als Bezugsmaß der Modellgeschwindigkeit bei den Wider
standsversuchen ist der erdfeste Standpunkt eingenommen worden. Damit
ist es möglich, die Einwirkungen von Flüssigkeits- und Modellbewegungen
auf die raumfeste Geschwindigkeitsverteilung zu bestimmen. In der Rohr
hydraulik ist der Zusammenhang zwischen Widerstand und dem Turbulenz-
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grad und der mit ihm in Verbindung stehenden Geschwindigkeitsverteilung
bekannt. Die durch die Bewegung eines in der Flüssigkeit schwimmenden
Modellkörpers verursachten Änderungen der örtlichen Geschwindigkeit
müssen ebenso von einer Energiequelle aufgebracht werden und können
nur als Widerstandsänderungen des Modells augenscheinlich werden. Das
nur unterhalb der Wasseroberfläche angeströmte Schiff kann mit einem
vollumströmten Flügelprofil verglichen werden. Ebenso wie die um das
Profil rundherum laufende Druckverteilung für jeden Fahrzustand eine
Änderung der resultierenden Kraft in Größe und Richtung ergibt, wird
es für die Resultierende aus der Druckverteilung am einseitig ange
strömten Schiff anzunehmen sein. Den Schiffbau hat bisher praktisch
nur die waagerechte Kraftkomponente interessiert. Daß eine senkrechte
Komponente auch vorhanden ist, wird aus der am Flachwasserschiff beob
achteten Absenkung des Wasserspiegels deutlich. Frühere Messungen [6]
haben eine Identität zwischen den senkrechten Strömungskräften und
dem Verdrängungsgewicht des aus Wasserlinienfläche und Absenkhöhe ge
bildeten Zylinders gezeigt. Es ist also möglich, in Anlehnung an die
Flügelpolare eine Abhängigkeit zwischen beiden Strömungskomponenten
Widerstand und Abtrieb zu bilden. Die vorliegende AufgabensteIlung,
das Widerstandsverhalten von Schiffen im strömenden Flußbett zu klären,
ähnelt mittels des oben gezogenen Vergleichs der Aufgabe, die größte
Reichweite eines Flugzeuges,
R = 75 • 3,6 .1}
cw
b •
ca
1} Wirkungsgrad der Schraube
b spez. Brennstoffverbrauch
gr/PSh
Luftkraftbeiwerte
Abflug- und Landegewichte.
das verschiedenen Windrichtungen unterworfen ist, zu bestimmen.
Rm 1' t W1' nd = R0 h ne W1' nd
Vw Windgeschwindigkeit (negativ bei Gegenwind, positiv bei Rückenwind)
v Reisegeschwindigkeit in ruhender Luft.
R
Für die Fälle ruhender Luft und Gegen- oder Rückenwind unterscheiden
sich die günstigsten Betriebspunkte in Anstellwinkel und Geschwindigkeit.
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Man erhält sie auf sehr einfache Weise dadurch, daß an die Polare
~ . v = E . v über v (Abb. 1)1) die Tangente durch den Koordinaten
Ca
anfangs punkt und durch die Abszissenwerte + vWind und - vWind gelegt
wird. Daraus ist beim Flug gegen Wind eine größere Geschwindigkeit mit
kleinerem Anstellwinkel und beim Flug mit Rückenwind eine kleinere
Geschwindigkeit mit größerem Anstellwinkel ablesbar. Als ungefähre
Parallele dazu fährt das Schiff bei gleichem Widerstand in der Berg
fahrt mit größerer Geschwindigkeit [2J, kleinerer Absenkung (Abb. 30)
(d.h. kleineren senkrechten Strömungskomponenten) und kopflastigem
Trimm (Abb. 40) und in der Talfahrt mit kleinerer Geschwindigkeit, grö
ßerer Absenkung und steuerlastigem Trimm. Den Größenänderungen der Auf
triebsbeiwerte des Flugzeuges entsprechen ähnlich zu bildende Abtriebs
beiwerte des Schiffes. Die Begründung dafür mag in der Umkehr des Wöl
bungspfeils von Flügelprofil und Schiff zu suchen sein, auf die bei
anderen Untersuchungen [3J schon hingewiesen worden ist.
Es sind die Ursachen für die Änderung des Betriebszustandes für die
drei Bewegungsfälle in der Strömung und der durch sie gegebenen Ge
schwindigkeitsverteilung zu suchen. In dem angezogenen Vergleich mit
dem Flugzeug wird zur Ermittlung des günstigsten Flugzustandes die
Polare Ca = f (Cw ) bzw. die aus ihr gebildete Gleitzahl ~: oder
ihr Reziprokwert ~~ verwendet. Von einem Gleitflugzeug, das in ruhen
der Luft von einem erhöhten Startpunkt abwärts schwebt, ist der Zusam
menhang zwischen der Glei tzahl ~: = tg 't mit dem Gleitwinkel ge
läufig. Wenn aber das Gleitflugzeug nach dem Start auf mit der Fall
höhe wachsende waagerechte Windkomponenten (seien sie in oder gegen
Flugrichtung gerichtet) stößt, so wird sich verständlicherweise auch
sein Gleitwinkel ändern. Solche Geschwindigkeitsgradienten ~~ sind aber
in allen, auch in höher als an der Erdoberfläche gelegenen Luftschich
ten allein schon wegen der normalen Abnahme der Dichte anzutreffen. Es
wird deshalb verständlich, daß zum Ausfliegen der größten Reichweite,
die eine Funktion der Gleitzahl ist, gegen Wind oder mit Rückenwind
andere Gleitzahlen als in ruhender Luft, also andere Polarenpunkte vom
Piloten einzuhalten sind (Abb. 1).
Bei der Wasserströmung in einer offenen Rinne kennen wir von der Grenz
geschwindigkeit v = ~ her, der sogenannten Stauwellengeschwindigkeit,
die Geschwindigkeitsverteilung auch bei kleineren Strömungsgeschwindig
keiten
1. Sämtliche Abbildungen befinden sich im Anhang
Seite 10
v=al{9h
a 1
~
Ihr Geschwindigkeitsgradient
nimmt vom Kanalboden zur Wasseroberfläche hin ah [7 Abb. 7J. Es liegt
also, wenn sich ein Schiff berg- oder talwärts darin bewegt, praktisch
derselbe Fall vor wie beim Langstreckenflug des Flügelprofils. Es
müssen sich folglich bei gleichem Widerstand für jeden Strömungsfall
andere Geschwindigkeiten ergeben. Den gleichen Widerstand bei Gleit
flugzeugen verschiedener Bauart erkennt man an gleichen horizontal
zurückgelegten Wegen. Will man bei Gegenwind den Gleitwinkel gegenüber
Erde genau so einhalten wie in ruhender Luft, so wird seine Geschwin
digkeit gegenüber Luft größer. Im Falle von Rückenwind muß die Ge
schwindigkeit gegenüber der in ruhender Luft kleiner werden. Trägt man
die gleichen Widerstände über der Geschwindigkeit auf, so sieht man,
daß das damit zu vergleichende zu Tal fahrende Schiff bei gleicher Ge
schwindigkeit gegenüber Wasser einen höheren Widerstand als das zu Berg
fahrende hat, was im einzelnen noch weiter zu untersuchen ist.
4.2 Geschwindigkeitsverteilungen
Zunächst sind die Geschwindigkeitsverteilungen der vorhandenen Kanal
strömung ohne Anwesenheit eines Schiffsmodells (Abb. 2 bis 5) gemessen
worden. Die örtlichen Druckhöhen am Pitotrohr sind zeitlichen Schwan
kungen unterworfen. Die daraus gemittelten Verteilungen zeigen bei ver
schiedenen Stromgeschwindigkeiten und Wasserhöhen einen untereinander
ähnlichen Verlauf mit zur Wasseroberfläche hin fast geradlinig anstei
gender Geschwindigkeit. Die Abkrümmung der Kurven zur Kanalsohle bis
1
etwa -2 v hat turbulenten Charakter. Es sind ebenfalls die prozen-
max.
tualen Geschwindigkeitsschwankungen als Funktion der Höhe (Ordinate)
eingetragen worden. Sie nehmen zur Kanalsohle hin sehr stark zu. Ver
gleicht man die gemessene Geschwindigkeitsverteilung mit der theore
tischen der offenen Rinne im unterkritischen Bereich v = a . ~,
wobei die Oberflächengeschwindigkeiten gleich angenommen werden, so
ist die Differenz zwischen beiden annähernd eine Gerade, die an der
V
Wasseroberfläche durch 0 und an der Kanalsohle durch m~x läuft. Man
kann also die gemessene Verteilung etwa dadurch erhalten, daß die
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