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BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau
Kopplung von Fahrdynamik-Modellen mit Boussinesq-Wellenmodellen zur Untersuchung
schiffserzeugter Wellen im Fernfeld
PeTra 1D:Trassierung in fließenden Gewässern
Fahrdynamisches Modell aus LinienrissRhein
GMS zu Tal
GMS zu BergFlussbauliches Modell
Fahrdyn:geodätische Einmessung von Schiffen
B1
0
5
10
15
20
25
30
119 120 121 122 123 124 125
km
B1
Trasse:Trassierung in stehenden Gewässern RheinBerechnung Fahrrinnenbreiten Berechnung Abtragsvolumen
Erstellung eine Geländemodells
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BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau
PeTra 2D – Bestimmung der Trägheitskräfte
Xvmmdtdm
vdtdv
mm yyx
xx
x =+−++ ω)()(
Yvmmdtdm
vdtdv
mm xxy
yy
y =++++ ω)()(
NvvmmdtdI
dtdII yxxy
hzhzz =−+++ )()( ωωx0(t)=∫Vx0dt
y0(t)=∫Vy0dtψ(t)=∫ωdt
Panelmethode mit Annahmen:•Hydrodynamisch schlanker Körper•Reibungsfreie Flüssigkeit•Spiegelung an der Wasseroberfläche
Schiffsmasse m aus Verdrängung
Einfluss veränder-licher Wassertiefe
hydrodynamische Masse myaus Schiffsgeometrie
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PeTra 2D – Bestimmung der äußeren KräfteAbschätzung des Längswiderstandesmithilfe des Verfahrens QSquat (Prof. Söhngen)
Verfahren PROFIX(1D-Traglinientheorie)
Berechnung Propellerkenn-linie aus vorhandener Propellergeo-metrie.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
−=dx
xmxVdtdx
dF yyy ))()((
Auftrieb
Widerstand
Anströmung
2
2 yLwW VAcF ρ=
Querwiderstand• Nichtlinear vom Anströmwinkel abhängig• Bestimmung mit CFD
Auftrieb – lineare Kräfte• linear vom Anströmwinkel abhängig• Berechnung mit dem Impulsverfahren
{ { { { {Bugruder
BSRRuderR
PropellerP
pfSchiffsrumH
GesamtXXXXX +++=
{ { { { {BugruderBSR
RuderR
PropellerP
pfSchiffsrumH
GesamtYYYYY +++=
{ { { { {Bugruder
BSRRuderR
PropellerP
pfSchiffsrumH
Gesamt
NNNNN +++=
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PeTra 2D – Bestimmung der äußeren Kräfte
Modellierung der Bugstahlruderkräfte mit einer Polynomapproximation auf der Grundlage von
Modell- bzw. Naturmessungen.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 1 2 3 4V/v J
T/T 0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 1 2 3 4V/v J
T/T 0
Modellierung der Ruderkraft beruht derzeit auf ein Flächenruder. Modelliert sind
XR,YR,NR als Funktion von Ruderblattgeometrie, Ruderwinkel, Strahl-
und Anströmgeschwindigkeit, Propellerdrehzahl und Nachstromziffer.
{ { { { {Bugruder
BSRRuderR
PropellerP
pfSchiffsrumH
GesamtXXXXX +++=
{ { { { {BugruderBSR
RuderR
PropellerP
pfSchiffsrumH
GesamtYYYYY +++=
{ { { { {Bugruder
BSRRuderR
PropellerP
pfSchiffsrumH
Gesamt
NNNNN +++=
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PeTra 2D – Möglichkeiten und Grenzen
• die Fahrspur• die eingesetzten Manövrierhilfen• die möglichen Schiffsgeschwindigkeiten• die Befahrbarkeit der Strecke
• die Wechselwirkung Schiff / Wasser• den Squat (wird pauschal vorgegeben))• die Wellengenerierung und -ausbreitung• die Bankingeffekte• die Windkräfte
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
PeTra 2D liefert:
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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
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BoWave 2D – Ein Boussinesq-Wellenmodell
Typische Einsatzgebiete vonBoussinesq-Wellenmodellen (traditionell)
• Wellenunruhe in Häfen
• Seegangssimulation im Küstennahfeld
Erweitertes Einsatzgebiet von BoWave 2D
• Erzeugung und Ausbreitung schiffsinduzierter Wellen
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BoWave 2D – Theoretische Grundlage
Euler-Gleichungen für Schwerewellen
• Kontinuitäts- und Impulsgleichungim Fluid –D ≤ z ≤ η
• Dynamische und kinematische Randbedingungan der freien Oberfläche η
• Randbedingung am Boden -D
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BoWave 2D – Herleitung der Boussinesq-Wellengleichungen
“Vertikalintegration” der Euler-Gleichungen• 1. Voraussetzung: Im Fluid –D ≤ z ≤ η gilt
• 2. Voraussetzung: Die Geschwindigkeitskomponenten sind analytisch in z
• 3. Einschränkung der Approximationsordnung
(Rotationsfrei bzgl. der Vertikalen)
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BoWave 2D – Boussinesq-Wellengleichungen
Ergebnis: Boussinesq-Wellengleichungen
Flachwassergleichungen
Boussinesq-WellengleichungenFrequenzdispersive Terme
“Boussinesq-Terme”
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BoWave 2D – Charakterisierung
• Phasenauflösendes (zeitdiskretes) Modelltypische Ortsauflösung 1mtypischer Zeitschritt 0,05s
• Tiefenintegriertes (2D-)Modellanalytische Geschwindigkeitsprofile vorausgesetzt
• 3 ZustandsgrößenWasserspiegelauslenkunghorizontale Geschwindigkeitsvariablen
• Modellierbare PhänomeneDiffraktionShoaling, RefraktionNichtlineare TransformationenStabile nichtlineare Wellen (Solitone, cnoidale Wellen)
Modelltyp und -eigenschaften
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BoWave 2D – Erweiterungen
Bereits enthalten:
• Tiefwassererweiterung• Shoaling, Refraktion durch Strömungsfeld• Pseudo-ViskositätWeitere Optionen:
• Boden- und Wandreibung• Wellenbrechen• Wellenauflauf und –überlauf• Impulseintrag (z. B. Schraubstrahl)Aktuell:
• Modellierung bewegter geometrischer Körper
Erweiterungen der konventionellen Boussinesq-Gleichungen
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BoWave 2D – Einschränkungen
• sehr kurze Wellen werden nicht erfasst (D/L > 1)
• DiskretisierungsbedingungenΔx < D < 16 Δx, Δt < Δx/c, L > 8Δx
• typische 3D-Effekte fehlen
Einschränkungen
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BoWave 2D – Kopplung
• Wellenerzeugungdirekte Kopplung von Struktur und Fluid:Tiefgang eines Schiffes bildet geometrische Zwangsbedingungfür die (ansonsten freie) Oberfläche
• Wellenausbreitunggroße Areale effizient modellierbar genaue Ergebnisse für Wellen im Anwendungsbereich
Wellenerzeugung und -ausbreitung
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BoWave 2D – Kopplung
WellenrückwirkungModell berechnet Zustandsvariablen
und
⇒ Vertikalprofile für Druck und Geschwindigkeitsvektor
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BoWave 2D – Anwendungstest
Start
60s
120s
180s
240s
300s
Ergebnisse Ortskurven der Wasserspiegelauslenkung
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Erwartete Verbesserung nach erfolgreicher Kopplung
Fahrdynamik
Wellenausbreitung
Berücksichtigung von
- Wechselwirkung Schiff / Wasser
- Wasserspiegeldeformation => Squat
- Bankingeffekte
Berücksichtigung von
- Wellengenerierung und -ausbreitung
- hydraulische Belastung am Ufer durch Wellen
- Korrektur Strömungsfeld infolge Schiffseinwirkung
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