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Formentwicklung schnelle Schiffe 27. Mai 2004
Formentwicklung für schnelle Schiffe mit Hilfe systematischer
CFD- Berechnungen
Abstract
Based on the CFD- evaluation of recently built RoPax- Ferries, the problems related to hull form design
of fast ferries have been analyzed. Based on the evaluation of these ships, optimization potential was
identified and design strategies for the main elements of the hull form have been defined. The application
to a practical example of a 140m, 26 knot RoPax- Ferry shows significant reduction of resistance
compared to conventional designs, which was validated by model tests. The results have further shown
that CFD is not able to cope with complex submerged transoms and trim wedges. Furthermore, it was
found that the more the wavemaking resistance is reduced, the more difficult becomes the application
of Froude´s Theorem due to the fact that exactly that part of the resistance which is covered by the
correct law of similitude is consequently optimized away.
1 Ausgangssituation
Insbesondere im Marktsegement der RoPax- Schiffe ist in den letzten Jahren eindeutig ein Trend zu
immer höheren Geschwindigkeiten zu verzeichnen. Dies gilt besonders für das Marktsegment im Mittelmehrraum,
wo seit ca. 2001 viele relativ grosse Einheiten mit z.T. erheblichen Anforderungen an
die Geschwindigkeit in Betrieb gegangen sind. Insbesondere das Konzept der SUPERFAST-Schiffe hat
zu erheblichem Anstieg der Geschwindigkeiten geführt, die bei einigen Einheiten heute bis zu 30 kn
betragen. Dabei spielt auch eine wesentliche Rolle, dass bei ausreichender Geschwindigkeit weniger
Kabinen benötigt werden, da das Schiff dann praktisch als Day- Ferry betrieben werden kann. Trotz
dieser Einschränkung ist weiterhin der Trend zu verzeichnen, dass auf diesen Schiffen die öffentlichen
Bereiche stark im Standard angestiegen sind, einmal um die Schiffe dadurch für Passagiere attraktiver
zu machen und zum anderen naturlich zur Erschliessung weiterer Einnahmen aus dem Umsatz in
den öffentlichen Bereichen. Dadurch werden die Schiffe auch relativ schwerer, was der Forderung nach
höheren Geschwindigkeiten entgegen steht. Weil die Hafenanlagen nicht oder kaum dieser Entwicklung
gefolgt sind, existieren für viele Schiffe Beschränkungen der Hauptabmessungen, die einerseits oft zu
ungünstigen Froude- Zahlen führen sowie generell die Wahl des Blockkoeffizienten stark einschränken.
Gleichzeitig zwingt die Einhaltung des Stockholm- Agreements die Schiffe dazu, erheblich Stabilität vorhalten
zu müssen, wobei die Tatsache, dass sich bedingt durch die Aufwertung der öffentlichen Bereiche
der Gewichtsschwerpunkt generell nach oben verlagert, das Problem zusätzlich verkompliziert. Ein
ähnlicher Trend ist für die Nord- und Ostsee zu verzeichnen, wobei hier noch das Flachwasserproblem
dazu kommt. Daher steht bei diesen Schiffen neben dem erzielbaren Deadweight eindeutig eine hohe
Service-Speed bei wettbewerbsfähigem Brennstoffverbrauch als Qualitätsmerkmal des Linienentwurfes
ganz stark im Vordergrund.
Heute kann der Einsatz numerischer Strömungsberechnungen zur Entwicklung der Rumpfform als
Stand der Technik angesehen werden. Diese Methoden zielen vor allem auf die Minimierung des Wellenwiderstandes.
Gerade bei den schnellen Schiffen mit ausgeprägtem Wellenwiderstandsanteil ist der
Einsatz dieser Technik besonders lohnenswert. Dies liegt daran, dass sich aktuell erzielte Einsparungen
sofort in erheblichen absoluten Reduktionen der Antriebsleistung manifestieren, mit den dadurch
verbundenen massiven Einsparungen sowohl beim Neubaupreis als auch in den Life- Cycle Costs. Will
man bei diesen Schiffen wirklich erhebliche Verbesserungen erzielen, ist es nötig, mit Hilfe von CFD-
Berechnungen eine Entwurfssystematik zu entwickeln, die es gestattet, für die einzelnen Elemente der
Rumpfform entsprechende Design- Regeln anzugeben. Die Entwurfssystematik wird dabei aus der Bewertung
vorhandener Schiffe und der Identifikation von Verbesserungspotential gewonnen. Nicht sinnvoll
erscheint es, hierfür Optimierungsautomaten einzusetzten. Dies liegt daran, dass entsprechende
Automaten entweder nur ein lokales Optimum finden können oder lediglich den numerischen Fehler
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minimeren. Die Entwurfsstrategie soll darauf basieren, dass ein erfahrener Entwurfsingenieur in der
Lage ist, aufgrund von physikalischen Modellvorstellungen die nötigen Rechenschritte zu generieren.
Aufgrund der systematisch durchgeführten Schritte sollte er dann die jeweiligen Änderungen der Form
individuell anstoßen können.
2 Begriffsdefinition schnelle Schiffe
No. 1: 185m, 19500t, 20kn
No. 2: 185m 22870 t, 20kn
No 3: 185m 22860 t, 20kn
No 4: 185m 22500t, 20kn
No 5: 185m 22440t, 20kn
Abbildung 1: Verschiedene Konzepte eines RoRo-Entwurfes bei langsamen Geschwindigkeiten als Vergleich
Die Frage, was nun eigentlich schnelle Schiffe sind, ist sicherlich nicht eindeutig zu beantworten, da die
Grenze je nach Sichtweise sehr verschieden sein kann. Dabei wird hier von vorneherein schon folgende
Einschränkung vorgenommen, dass es sich ausschliesslich um Verdrängerfahrzeuge handeln soll, und
zwar um solche, die sich im groben noch aus Stahl fertigen lassen und somit eine gewisse Mindestgrösse
haben. Typische Anwendungen wären schnelle RoRo-Fähren, Passagierschiffe oder möglicherweise Marineschiffe.
Aber selbst dann ist nicht klar zu sagen, wo eigentlich der Übergang zum sogenannten
schnellen Schiff liegt.
Aus Sicht des Linienentwurfes ergibt sich meiner Ansicht nach jedoch eine brauchbare Definition, die
sich aus der Betrachtung von in diesem Sinne als langsam einzustufenden Schiffen ergibt. Dazu zeigt
Abb. 1 einen Vergleich von fünf verschiedenen Rumpfkonzepten für ein langsames RoRo-Schiff mit etwa
F n = 0.25. Dieser Vergleich wurde von einem potentiellen Ladungsanbieter für verschiedene Konzepte
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der einzelnen Befrachter angestoßen. Er beinhaltet nicht nur potentielle Neubauprojekte, sondern auch
bereits im Markt befindliche Schiffe, mit denen die jeweilgen Befrachter ihr Angebot unterlegt haben.
Zunächst wird aus dem Vergleich ersichtlich, dass die Wellenbildung der einzelnen Entwurfskonzepte
stark streut: Manche zeichnen sich durch erhebliche, andere durch extrem geringe Wellenbildung aus.
Von Bedeutung für die Frage, was nun schnelle Schiffe sind, ist der Vergleich von No. 2 und No. 3,
die gleichzeitig die Entwürfe mit der geringsten Wellenbildung sind. No. 3 zeichnet sich dadurch aus,
dass durch hervorragende Interferenz der einzelnen Wellensysteme im Nachlauf praktisch ausser den
Spiegelquerwellen kaum Wellen übrigbleiben, obwohl z.T. recht markante Einzelwellensysteme generiert
werden (z. B. Tal der vorderen Schulter). Das gegenteilige Konzept findet sich in Enturf No. 2: Hier
wird versucht, alle Einzelwellensysteme direkt am Ort ihrer Entstehung zu bekämpfen, so dass dadurch
der Nachlauf gering gehalten wird.
Nun kann die Grenze zu schnellen Schiffen vielleicht so gezogen werden: Wenn die Wellenlänge λ,
die sich zu λ = 2πFnL 2 ergibt, ausreichend lang wird, kann man nach dem Interferenzkonzept nichts
mehr erreichen. Außerdem gilt bei schnellen Schiffen dann daraus folgend die Regel, dass man mit
lokalen Formoptimierungen praktisch nichts mehr bewegen kann, einfach weil die Wellenlängen verglichen
mit den Abmessungen des Schiffes zu gross werden und dadurch die kurzwelligen Störungen der
Druckverteilung, die einfach zu erkennen sind, nicht mehr vorkommen. Dann bewirkt man nur noch
etwas mit globalen Formänderungen, die sich über große Bereiche des Schiffes ziehen müssen. Ohne ein
physikalisch fundiertes Konzept ist das praktisch aussichtslos. Von daher muss bei schnellen Schiffen
ein Konzept Anwendung finden, das auf die Minimierung der jeweiligen Einzelsysteme fußt.
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3 Entwurfsprobleme bei schnellen Schiffen
LoA=176m v=27 kn MCR=44480 kW
LoA=141m v=26kn MCR=31700 kW
LoA=211m v=28kn MCR=67200 kW
LoA=176m v=29kn MCR=46800 kW
LoA=180m v=28kn MCR=37800 kW
LoA=194m v=28.5kn MCR=42600 kW
Abbildung 2: Wellenbildung verschiedener schneller RoPaxe und Passagierschiffe als Überblick
Um einen Überblick über die spezifischen Probleme beim Linienentwurf schneller Schiffe zu erhalten,
wurden an unserem AB systematisch gebaute Schiffe der letzten Zeit erfasst, mit Hilfe von Wellenwiderstandsmethoden
(KELVIN) berechnet und bezüglich ihrer Wellenbildung ausgewertet. Abb. 2 stellt
exemplarisch die Ergebnisse von sechs ausgewählten Schiffen dar. Als Länge wurde die jeweilige LoA
angegeben, als Geschwindigkeit die angegebene Service- Speed und als Leistung die installierte Maschinenleistung.
Ein quantitativer Vergleich wäre also bei der Bewertung der Rumpfkonzepte nicht wirklich
fair, da sich die tatsächlich installierte Hauptmaschinenleistung wesentlich aus den Margins sowie aus
etwaiger Leistung der PTOs ergibt. Alle Schiffe sind Zweischrauber mit dieselmechanischem Antriebskonzept.
Die Geschwindigkeit variiert etwa zwischen 26kn und 28.5kn, die Länge etwa zwischen 140 und
210m, womit sich auch unterschiedliche Froudezahlen zwischen 0.32 und 0.36 ergeben. Generell wird
aber bei allen Schiffen folgender Trend sichtbar, der das eigentliche Entwurfsproblem verdeutlicht:
• Bedingt durch die große Wellenlänge fällt das Tal der ohnehin stark ausgeprägten Bugwelle mit
dem Tal der vorderen Schulter zusammen, die selbst wiederum etwa am Hauptspant zu liegen
kommt.
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• Gleichzeitig ist die Bugwelle recht stark ausgeprägt.
• Insbesondere bei den kürzeren Schiffen fallen im Nachlauf alle Wellen mehr oder weniger zusammen,
nämlich das Heckwellensystem mit den Spiegelquerwellen, diese mit den Längswellen der
vorderen Schulter und diese wiederum mit dem Tal der Bugwelle.
• Je nach Rumpfkonzept erzeugt das Schiff erhebliche Querwellen durch den getauchten Spiegel, die
ungünstig mit den anderen Wellensystemen zusammenfallen.
Daraus folgt als Entwurfsstrategie, dass man unbedingt versuchen muss, die entstehenden Einzelwellenanteile
zu minimieren. Gleichzeitig sollte erreicht werden, dass die einzelnen Wellenanteile wenigstens
nicht genau zusammenfallen, obwohl das aufgrund der Entwurfsforderungen natürlich schwer zu erreichen
ist. Trotzdem lassen sich aufgrund der bisher gerechneten Schiffe und daraufhin vorgenommenen
Optimierungsschritte klar einige generelle Trends, die z. T. jedoch trivial sind, ableiten.
4 Propulsionskonzepte für schnelle Schiffe
Die Propulsion wird hier nur insoweit angesprochen, als sie Einfluß auf die Rumpfform hat. Wesentlich
für die Propulsion ist neben dem Hinterschiff die Anordnung der Anhänge sowie der Propulsor selbst.
Hierfür gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten:
• Water Jets
• Pods
• Verstellpropeller
Water Jets sind insofern nachteilig, als sie eine extreme Spiegeltauchung verlangen, diese ist aber stark
kontraproduktiv für den Widerstand. Die Widerstandserhöhung dominiert in jedem Fall über eventuelle
Wirkungsgradgewinne. Daher scheiden Waterjets für die genannten Anwendungen aus. Pods sind bei
diesen Leistungen nicht wettbewerbsfähig, da die Kennlinien der Elektromotoren dem entgegenstehen,
was der Propeller verlangt, nämlich geringe Drehzahl bei großem Drehmoment. Bei guter Gestaltung
des Hinterschiffes und der Anhänge ist der Widerstand der Wellenleitung gering, und bei Anordung
von Tunneln über den Propellern kann man sehr große Propeller bei ausreichendem Freischlag unterbringen
und damit den Schubbelastungsgrad weiter senken. Ganz wichtig bei den schnellen Schiffen
ist der Entwurf der Ruder: Aus Kavitationsgründen kommen nur Vollschweberuder in Frage, die mit
einer Propulsionsbirne und stossfrei angelenkter Rudervorkante (TWIST-Flow- Ruder) ausgeführt sein
sollten. Von daher wird der Hinterschiffsentwurf auf ein Propulsionskonzept abgestimmt, das auf einer
Zweiwellenanlage mit Verstellpropellern sowie Vollschweberuder mit fester Head-Box darüber beruht.
5 Generelle Entwurfsempfehlungen
Neben den oft ungünstigen Längen-/ Wellenlängenverhältnissen ist ein Hauptproblem der Schiffe der
meist aufgrund anderer Entwurfsforderungen zu große Blockkoeffizient. Dieser läßt sich aber häufig
verbessern, wenn einige generelle Trends deutlich werden: Zunächst gilt die eigentlich simple Regel,
dass LoA komplett benetzt sein muss. Selbst wenn aus ästhetischen Gründen eine bestimmte Vorstevenkontur
gewünscht wird, macht es immer Sinn, den Bugwulst dann auch so lang zu machen wie der
in Längsrichtung extremste Punkt. Hinten gilt im Prinzip das Gleiche. Weiterhin ist es für diese Schiffe
praktisch immer vorteilhaft, wenn man die Breite (diese ist meist nicht beschränkt) so groß macht wie es
sinnvollerweise möglich ist. Dadurch wird fast immer eine Widerstandsverbesserung erreicht, weil sich
die Breitenänderung nur im Vorschiff negativ auf den Widerstand auswirkt, im Hinterschiff aber nicht,
weil dort die Strömung ohnehin den Schnitten folgt. Man erzielt aber durch eine größere Breite einen
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Verdrängungsgewinn an beiden Hälften, und hat dann mehr Freiheiten bei der Verdrängungsverteilung.
Alle bisher durchgeführten Rechnungen haben diesen Trend bestätigt.
Ähnliches gilt für den Tiefgang: Weil sich die Strömung im Hinterschiff nur nach den Schnitten
richtet, bedeutet eine Vergrößerung des Tiefganges eine Widerstandsvergrößerung im Hinterschiff, wenn
die Schnitte dadurch steiler werden. Bei gleichem Widerstand (also gleicher Steigung der Schnitte) muss
das Hinterschiff entsprechend länger werden, d. h. der Einlauf der Schnitte in den Boden verlagert sich
nach vorn. Durch eine Tiefgangsvergrößerung gewinnt man aber sehr viel Verdrängung und damit
auch mehr Freiheit für deren Verteilung. Für das Vorschiff ist eine Tiefgangsvergrößerung praktisch
immer widerstandsneutral durchführbar, so dass dann auf der Habenseite der Gewinn an Verdrängung
entsteht, die man dann an den Stellen, die für die Wellenbildung ungünstig sind, wieder entfernen
kann. Generell hat sich gezeigt, dass von allen Hauptabmessungen bei schnellen Schiffen in diesem
Froudezahlbereich der Blockkoeffizient die wichtigste Hauptabmessung ist, einfach weil sich bei kleinen
Blockkoeffizienten die Möglichkeit ergibt, die Verdrängung problemorientiert zu verteilen. Generell gilt
dabei weiter, dass LCB immer weiter nach achtern verlagert werden kann, je geringer der Tiefgang
ist, weil es ab einer gewissen Steilheit der Schnitte keinen Sinn mehr macht, noch mehr Verdrängung
aus dem Hinterschiff zu entfernen. Man darf dabei nicht vergessen, dass zum Bare Hull Widerstand
ja auch noch die Anhänge dazu kommen, und je länger die Wellenleitung ist (bei flacheren Schnitten),
desto größer der Gesamtwiderstand. Das Vorschiff wird also deutlich besser bei höherem Tiefgang,
das Hinterschiff bei höherer Breite. Dabei hängt die Aufteilung des Entwurfes in Vor-und Hinterschiff
erheblich von diesen Randbedingungen ab.
Hinterschiff 2% kürzer
Hinterschiff 10% länger
Abbildung 3: Änderung des Wellenbildes bei Variation von Vor- und Hinterschiffslänge
Daher ist es sinnvoll, die jeweils besten Längen von Vor-und Hinterschiff durch sytematische Optimierung
zu ermitteln. Man muss nur beachten, dass die Gesamtlänge die gleiche bleibt. Dies zeigt
Abb. 3 am Bespiel eines 26kn schnellen und 140 m langen RoPax-Schiffes (von den Anforderungen
her vergleichbar mit dem Bild oben rechts in Abb. 2). Dieser Vergleich wird exemplarisch in Abb.
3 gezeigt. Im linken Bild wurde das Hinterschiff um 2% eingekürzt, mit entsprechender Verlängerung
des Vorschiffes, und rechts entsprechend um 10% verlängert. Dabei bleibt die Verdrängung praktisch
gleich, LCB verschiebt sich naturgemäß. Die LCB- Verschiebung bleibt aber in einem Rahmen, der
durch den Gesamtentwurf leicht kompensiert werden kann. Das Ergebnis entspricht den Erwartungen:
Eine Verkürzung des Hinterschiffes bewirkt höhere Spiegelquerwellen, bei leichter Verbesserung im Vorschiff,
eine Verlängerung desselben bewirkt erhöhte Wellenbildung im Vorschiffsbereich mit verbesserter
Spiegelquerwelle. Da der Wellenwiderstand im Prinzip vom Quadrat der Wellenhöhe abhängt, ist es am
besten, wenn die Extrema der jeweilgen Wellensysteme etwa gleich hoch sind. Dies kann man durch
eine geeignete Optimierung leicht erzielen, wobei man darauf achten muss, dies im weiteren Entwurfsfortschritt,
wenn sich Wellenhöhen ändern, nachzujustieren. Es ist aber darauf zu achten, dass nach
bisherigen Erfahrungen die Spiegelquerwellen meist durch die CFD- Rechnung überschätzt werden.
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6 Bugwulst- und Vorstevenentwurf
Abbildung 4: Wellenbildung an zwei unterschiedlichen Bugwulstkonzepten
Insbesondere dem Entwurf von Bugwulst, Vorsteven und CWL- Einlauf kommt bei schnellen Schiffen
besondere Bedeutung zu. Dies liegt daran, dass man nach hinten hin kaum noch Chancen hat, eine hohe
Bugwelle zu kompensieren, weil sich keine günstige Interferenz finden läßt. Das Tal der Bugwelle überlagert
sich wie schon gesehen praktisch mit dem Tal der Schulter, so dass eine hohe Bugwelle automatisch
auch ein tieferes Tal etwa bei L/2 zur Folge hat, welches wiederum nach hinten abstrahlt. Daher ist es
bei derartigen Schiffen entscheidend, zunächst das Bugwellensystem zu minimieren. Dies gelingt durch
geeignete Gestaltung von Bugwulst und Vorsteven. Dabei ist zunächst zu beachten, dass als Wulsttyp
aussschliesslich ein Unterdrucktyp in Frage kommt, der durch ein ausgeprägtes Unterdruckgebiet
auf der Wulstoberseite die Bugwelle vermindert. Da bei diesen Schiffen die Tiefgangsunterschiede am
vorderen Lot nicht allzu groß sind, kann man auch extremene Wulstformen vertreten. Zu beachten ist
dabei einerseits, dass man das Unterdruckgebiet möglichst nahe am Schiff erzeugt, je weiter vorne der
Unterdruck ist, um so höher läuft im späteren Verlauf die Bugwelle auf. Außerdem muss man unbedingt
beachten, dass aufgrund der Bugwelle und der dynamischen Tauchung am VL die eigentliche CWL erheblich
höher ansetzt, weshalb man die Spanten auch deutlich oberhalb der WL noch schlank halten
muss. Hier sind Schiffe, die eine Bugtür erhalten, klar im Nachteil. Gleichzeitig darf der Wulst keinen
übetriebenen Abstromcharakter haben. Sonst wird zwar der lokale Unterdruck größer, aber weil der
Spantquerschnitt dann nach hinten abnimmt, baut sich dann trotzdem eine höhere Bugwelle auf. Es hat
sich im Gegenteil bewährt, die Wasserlinien im Bugwulstbereich möglichst gerade zu halten und dann
moderat nach aussen zu führen, dadurch wird der effektive Wasserlinieneinlaufwinkel kleiner. Will man
die Strömung im Bereich der Bugwelle weiter beschleunigen, muss der Wulst mehr Spantfläche erhalten,
was die Bugwelle weiter verkleinert. Je steiler der Steven steht (geht aus pseudo- ästhetischen Gründen
manchmal nicht anders), desto geringer ist der Einlaufwinkel der echten (d.h. einschließlich Tauchung
und Bugwelle) CWL. Was man durch geeignete Formgebung erreichen kann, zeigt Abb. 4. Man erkennt
deutlich, dass bei sonst gleichen Randbedingungen das linke Konzept eine erheblich geringere Bugwelle
zur Folge hat als das rechte.
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7 Vorschiffsentwurf
Abbildung 5: Drei verschiedene Konzepte für Vorschiffe mit starker V-Spantform
Neben der Gestaltung des Vorsteven-und Bugwulstbereiches und der richtigen Wahl der Vorschiffslänge
spielt die Spantform im Vorschiff die entscheidende Rolle. Meist (vgl. Abb. 5) findet man Vorschiffe
mit starker V-Spantform. Diese ist aber widerstandsmäßig schlechter als eine U- Spantform, wenn man
jeweils die gleiche Verdrängung (d. h. Spantfläche) zugrundelegt. Verschiedene CFD-Berechnungen
haben eindeutig gezeigt, dass sich gerade bei entsprechender Gestaltung des Vorschiffes erhebliche Verdrängung
im unteren Vorschiffsbereich unterbringen läßt, ohne dass sich der Wellenwiderstand merklich
verschlechtert. Demgegenüber steht ein gewisser Verlust an Stabilität vor allem dann, wenn als Kompromiss
eine starke U-Spantform mit gleichzeitig schlanker CWL im Vorschiff verwendet wird. Der
Stabilitätsverlust kann aber auf folgende Weisen wieder kompensiert werden:
• Man macht den Kimmradius größer, so dass der Höhenschwerpunkt der Verdrängung nach oben
wandert. Dies ist gleichzeitig günstig für den Reibungswiderstand (insgesamt geringere benetzte
Fläche) sowie für das Seegangsverhalten (geringere Hebelarmschwankung Berg-Tal).
• Man macht die CWL im Bereich vor dem Bugwellental breiter und gestaltet diese dort leicht hohl.
Damit streckt man das Unterdruckgebiet ohne schädliche Folgen für den Widerstand und gwinnt
ausreichend Stabilität.
• Meist geht es bei Stabilitätsfragen ohnehin um ausreichenden Umfang, da die Schiffe entweder am
Wetterkriterium oder an der Leckrechnung fahren. Den Umfang kann man im Prinzip auch im
Überwasserschiff holen.
Bei entsprechender Gestaltung von Bugwulst und Vorschiffslänge läßt sich durch Verwendung von U-
Spanten der Widerstand erheblich reduzieren. Oder man erhält einen Überschuss an Verdrängung, den
man an anderer Stelle wieder entfernen kann.
8 Hauptspantentwurf
Aus bisher gesagtem folgt, dass man den Kimmradius so groß wie irgend möglich wählen sollte, allerdings
muss man natürlich die geforderte Verdrängung halten. Gleichzeitig ist es vorteilhafter, statt eines
Kimmradius eine Art Kimmellipse zu verwenden. Der Grund dafür liegt darin, dass man die Stabilität
im Bereich der CWL meist nicht aufgeben kann, und sich andererseits bei vielen CFD-Rechnungen
gezeigt hat, dass der Einfluss auf den Wellenwiderstand nicht sehr gross ist, obwohl dort immer ein
deutliches Tal ist. Anders gesagt wiegen bei moderaten Änderungen die Nachteile der Stabilität schwerer
als nur geringe bis keine Gewinne im Wellenwiderstand. Anders sieht es beim Bodeneinlauf aus: Je
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weiter man diesen reinzieht, desto größer ist der Stabilitätsgewinn und die Reduktion der Oberfläche.
Dafür kann man es sich leisten, die Verdrängung mehr im Vorschiffsbereich unterzubringen. Für den
Hinterschiffsentwurf bringt ein grosser Kimmradius wesentliche Vorteile, weil man dann die Möglichkeit
hat, das Hinterschiff bei gleicher Steigung der äußeren Schnitte kürzer zu machen. Außerdem kann
man die hintere Schulter besser variieren. Man muss allerdings beachten, dass Schiffe mit extrem
geringen Hauptspantvölligkeiten wahrscheinlich zur Kursinstabilität neigen, weil die Längsverteilung
der hydrodynamischen Massen insgesamt ungünstiger wird (deren Längenschwerpunkt verlagert sich
nach vorn).
9 Hinterschiffsentwurf
Abbildung 6: Hinterschiffsentwurf mit Wellenbild. Der Spiegel wurde höher gesetzt als optimal, weil
die CFD- Rechnung die Spiegelquerwellen überzeichnet.
Der Entwurf des Hinterschiffes ist insofern schwierig, als man durch ungünstigen Verlauf der Schnitte
gleich sehr stark mit Zusatzwiderstand bestraft wird. Generell bieten sich sogenannte Barge- Type-
Hinterschiffe an, die sinnvollerweise einen nahezu parallelen Verlauf der Schnitte aufweisen. So bringt
man ein Maximum an Verdrängung bei immer noch flach laufenden Schnitten unter. Dabei kann das
Hinterschiff um so kürzer sein, je geringer der Tiefgang ist. Günstig für die vom Spiegel abgehenden
Querwellen ist es immer, wenn die Schnitte hinten über eine gewisse Strecke flach verlaufen, ggf. unter
Verwendung eines Staukeiles. Hierfür müssen die Schnitte aber einen Wendepunkt aufweisen, was dazu
führt, dass etwa in der Gegend des Wendepunkes ein Längswellental sitzt. Daraus entsteht dann immer
am Heck ein Berg, insbesondere dann, wenn die Hinterschiffsform zur Verbesserung der Propulsion noch
eine Tunnelung über den Propellern aufweist. Dabei ist es wichtig, den Abstand zwischen Längswellental
und Spiegel so zu wählen, dass sich die seitliche Heckwelle nicht zu stark aufbaut. Hier hilft es, den
Spiegel seitlich weiter zu tauchen als in der Mitte, um damit die seitliche Heckwelle zu verringern. Tunnel
übder den Propellern sind vorteilhaft, um große Schubbelastungsgrade zu vermeiden, sie haben aber den
Nachteil, dass die Schnitte steiler werden und dass im hinteren Bereich die Heckwelle höher aufläuft, weil
durch die Tunnel die Spantfläche reduziert wird und damit die Strömung zusätzlich verzögert wird. Meist
ist es sinnvoll, das Tunnelende in Form eines Staukeiles auszuführen. Will man die Wellenbildung im
Heck weiter verringern, kann man die Schnitte etwa in der Gegend des seitlichen Tales hochnehmen und
danach wieder herunterführen. Durch die lokale Abnahme der Spantfläche wird die Strömung künstlich
verzögert, so dass das Tal und damit die später auflaufende Heckwelle verringert wird. Wichtig ist
bei der Bewertung des Hinterschiffes, dass die CFD- Rechnung nicht in der Lage ist, lokale Effekte
am Spiegel zu erfassen. Dadurch werden die Heckwellen meist überschätzt, und es wird immer ein zu
stark vorlastiger Trimm vorausgesagt. Naturgemäß kann eine Potentiallösung auch keine brechenden
Wellen vorraussagen, weshalb man bei der Feinoptimierung des Hinterschiffes auf Erfahrung und einen
Modellversuch angewiesen ist. Abb. 6 zeigt ein solches Hinterschiffskonzept.
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10 Anwendung der Konzepte
Abbildung 7: Zwei Konzepte für eine schnelle Fähre im Vergleich
Als Vergleich wird ein Konzept für eine schnelle Mittelmehrfähre mit maximal 140m Länge für eine
Geschwindigkeit von 26kn herangezogen. Für dieses Schiff lag ein Ausgangsentwurf eines bekannten
Design- Büros vor, der 26kn mit 31700 kW erreicht. Für ein konkurrierendes Projekt (RoPax 2000)
war von der Flensburger Schiffbau- Gesellschaft ein Linienkonzept nach dem oben aufgeführten Konzept
erarbeitet worden, von dem Einzelelemente der Rumpfform auch schon bei vorangegangenen Projekten
als prinzipiell richtig validiert worden waren, wenn auch in anderen Froude- Bereichen. Die Validierung
der aufgrund der CFD- Berechnungen identifizierten Verbesserungen war natürlich extrem wichtig, da
auch die CFD- Berechnungen ja nur Modelle der Wirklichkeit sind.
Aufgrund der vorgesehenen Raumaufteilung, die über den Platzbedarf die Maschine vorgab, und
um die Kosten wettbewerbsfähig zu halten, war die maximal mögliche Antriebsleistung mit 25600 kW
vorgegeben. Damit sollte bei 85%MCR eine Geschwindigkeit von 26 kn erreicht werden.
Dazu wurde die bereits vorhandene Form an der TUHH noch einmal systematisch optimiert, in dem
mehrfach die oben angesprochene Systematik durchlaufen wurde. Für jede Änderungsart wurden mehrere
Formfamilien gegründet, die jede für sich bis zu Ende durchoptimiert wurde. Die jeweils besten
Konzepte wurden dann bis zu Ende verfolgt, wobei neben Widerstand auch Stabilität, Manövrierverhalten
und Druckimpulse beachtet wurden. Wurde auch ohne erkennbaren Widerstandsgwinn nur eine
dieser Eigenschaften verbessert ohne die anderen zu verschlechtern, galt die Form als überlegen und
diente dann als Ausgangspunkt für weitere Verbesserungen. Insgesamt wurden fur das Schiff dann
noch einmal etwa 100 Varianten untersucht. Abb. 7 zeigt das Ergebnis der Optimierung verglichen
mit dem konventionellen Ausgangsentwurf. Der Unterschied in den Wellenbildern zeigt die erheblichen
Einsparungen im Wellenwiderstand. Abb.
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11 Anwendung der Konzepte
Abbildung 8: Modellversuch des Linienentwurfes
8 zeigt den Modellversuch (Bare Hull) und die Tatsache, dass die CFD- Rechnung insgesamt den Versuch
sehr gut widergibt. Die Ergebnisse des Modellversuches haben klar gezeigt, dass die Geschwindigkeit von
26 kn bei der angegebenen Leistung erreicht werden wird. Allerdings wurde aus strategischen Gründen
der Spiegel höher gelegt als optimal, weil unklar war, inwieweit die CFD- Rechnung die Spiegelquerwellen
richtig wiedergeben würde. Im Versuch wurde dann mit verschiedenen Staukeilvarianten gearbeitet, die
dann erwartungsgemäß noch einen erheblichen Widerstandsgewinn brachten.
12 Probleme bei der Grossausführungsprognose
Die Frage, inwieweit die CFD- Ergebnisse den Modellversuch wiedergeben, wurde bereits erörtert. Es
stellte sich heraus, dass bis auf die Frage der Spiegeltauchung die CFD- Rechnung alle Effekte richtig
wiedergibt. Systematische Rechnungen haben bezüglich des Einsatzes von Staukeilen und der Spiegeltauchung
ergeben, dass hier die CFD- Rechnung versagt, weil vor allem der dynamische Trimm
wegen des heftigen Einflusses der Spiegelquerwellen nicht richtig wiedergegeben wird. Die Frage ist
jetzt aber, wie sich der Modellversuch zur Grossausführung verhält, da es allein auf die Performance des
naturgroßen Schiffes ankommt. Die Grossausführungsprognose wird ja auf der Basis der Froudeschen
Hypothese durchgeführt, wobei alles, was nicht ITTC- Reibungswiderstand ist, dem Restwiderstand
zugeschlagen und nach der Froudeschen Ähnlichkeit umgerechnet wird. Bei den CFD- Rechnungen war
aufällig, dass die Widerstandsprognose immer schlechter wurde, je mehr der Wellenwiderstand wegoptimiert
wurde. Das ist auch konsequent, da genau der Anteil, den die Methode gut erfassen kann,
geringer wird und damit der Fehler zunimmt. Dies trifft für den Modellersuch gleichermassen zu. Als
Beispiel kann die Probefahrt der DFDS- Flower- Class Schiffe herangezogen werden, bei denen einige
der genannten Konzepte allerdings in einem anderen Froudezahlbereich realisiert wurden. Wegen der
relativ starken Hauptmaschine und wegen des extrem minimierten Wellenwiderstandes erreichten die
Schiffe auf der Probefahrt eine Spitzengeschwindigkeit von 25.6 kn (bei 22.5kn Service Speed) und liegen
damit schon im Grenzbereich scheller Schiffe. Die Prognose der Versuchsanstalt lag merklich über den
Probefahrtsergebnissen, obwohl die Prognose insgesamt mit extrem knappen Zuschlägen behaftet war.
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Abbildung 9: Wellenbild (CFD) und Großausführung
Dabei ist zu bedenken, dass der Restwiderstandsbeiwert extrem niedrig liegt, wobei wellenwiderstandsseitig
der größte Anteil eindeutig aus den Spiegelquerwellen kommt, die wahrscheinlich stark
viskos beinflußt werden. Der Restwiderstand beträgt bei den Schiffen noch etwa 1/3 des Gesamtwiderstandes,
wovon wohl wiederum etwa die Hälfte auf Spiegelquerwellen und andere Effekte (Formfaktor)
gehen. Damit werden dann nur noch etwa 20% des Gesamtwiderstandes nach dem richtigen Masstabsgesetz
übertragen, und es sei die Frage gestattet, ob man für solche Schiffe nicht langfristig nach anderen
Wegen der Grossausführungsprognose suchen muß. Diese Frage darf keinesfalls als Kritik an dser Versuchsanstalt
aufgefaßt werden, es geht lediglich um die praktische Anwendbarkeit der Froude’schen
Hypothese bei diesen Schiffen.
13 Schlussfolgerungen
Aufgrund von systematisch untersuchten schnellen RoPax und Pax- Schiffen wurden durch CFD-Analysen
die spezifischen Probleme aktuell gebauter Schiffe erarbeitet. Ferner wurden für die wesentlichen Elemente
der Rumpfform Entwurfsrichtlinien angegeben, nach denen mit CFD- Hilfe der Rumpf ausoptimiert
werden kann. Die Anwendung auf ein Projekt einer schnellen Ropax- Fähre zeigen ein erhebliches
Einsparpotential, das im Modellversuch quantitativ validiert werden konnte. Die CFD- Rechnung kann
lokale Spiegeländerungen und den Effekt von Staukeilen nicht richtig erfassen. Bei der Prognose für die
Großausführung muß darauf geachtet werden, daß mit zunehmender Optimierung des Wellenwiderstandes
gerade der Anteil wegoptimiwert wird, den das Froudesche Prinzip korrekt erfasst, was dazu führt,
dass die Prognose zu konservativ ausfällt.
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