Klausur Widerstand und Propulsion - Institut für Entwerfen von ...

Widerstand und Propulsion SoSe 2008
Klausur, 18.09.2008
Klausur Widerstand und Propulsion
18. September 2008
Beginn: 09:00 Uhr
Bearbeitungszeit: 3:00 h
Allgemeine Hinweise
1. Im Fragenteil sind keine Hilfsmittel außer Stift und Papier zugelassen. Im Aufgabenteil sind
alle Hilfsmittel außer Nachbarn, Handy etc. erlaubt. Ein Täuschungsversuch führt sofort zum
Einziehen der Klausur.
2. Die Blätter sind nur einseitig zu beschreiben.
3. Die Blätter sind fortlaufend zu nummerieren.
4. Auf jedes Blatt sind Name, Vorname und Matrikelnummer zu schreiben.
5. Die Nummern der Fragen und Lösungen sind eindeutig zuzuordnen.
6. Die Antworten sind kurz und präzise zu geben (keine Romane!).
7. Die Fragen und Aufgaben sind leserlich zu beantworten bzw, zu lösen.
8. Mit Bleistift geschriebene Klausurteile (ausgenommen Zeichnungen und Skizzen)
werden bei der Bewertung nicht berücksichtigt.
9. Lesen Sie die Fragen genau durch, überlegen Sie, was gefragt ist und rechnen Sie
erst, wenn Sie die Aufgabe verstanden haben. Falls Sie eine Frage nicht beantworten
können, nehmen Sie die nächste und schätzen Sie wenn nötig die Eingangsgrößen.
Viel Erfolg!
Institut für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit
www.ssi.tu-harburg.de
1/6

Widerstand und Propulsion SoSe 2008
Klausur, 18.09.2008
I Fragenteil
1. Erläutern Sie den Begriff Gütegrad der Anordnung. Welche möglichen Effekte bildet er ab?
2. Was man versteht unter der kritischen Reynoldschen Zahl?
3. Nennen Sie die Voraussetzungen, damit eine Strömung ablöst.
4. Nennen und erläutern Sie mindestens drei Ähnlichkeitsgesetze.
5. Erläutern Sie, wie man den Leistungsbedarf eines zu projektierenden Schiffes anhand von Modellversuchen
prognostiziert.
6. Erläutern Sie die Begriffe Primärwellenbild und Sekundärwellenbild.
7. Was ist der Kelvin’sche Öffnungswinkel?
8. Nennen Sie hinsichtlich des Schiffswiderstandes ein günstiges Verhältnis von Schiffslänge zur Wellenlänge
des Wellensysystems.
9. Skizzieren Sie qualitativ im Vergleich a) ein wandnahes Geschwindigkeitsprofil in Potentialströmung
und b) in reibungsbehafteter Strömung.
10. Erläutern Sie die Begriffe Nachstromziffer und Sogziffer. Wie bestimmt man die Kennzahlen?
11. Nennen Sie Möglichkeiten zur Widerstandsprognose ohne Modellversuche.
Institut für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit
www.ssi.tu-harburg.de
2/6

Widerstand und Propulsion SoSe 2008
Klausur, 18.09.2008
II Aufgabenteil
Aufgabe 1
Die Entwurfsabteilung einer Werft projektiert ein neues Schiff gemäß den Hauptdaten aus Tabelle 1.
Es sind bereits Windkanalversuche durchgeführt worden. Die Messungen am Doppelmodell ergaben bei
einer Lufttemperatur von 20 ◦ C und einer Anströmgeschwindigkeit von 18 m/s einen Widerstand von
5 N. Modellversuche im Schleppkanal ergaben die in Tabelle 2 angegebenen Widerstände. Der Modell-
Schiffs-Korrelationszuschlag ist seitens der Versuchsanstalt mit 7 · 10 −5 angegeben. Die angestrebte
Entwurfsgeschwindigkeit beträgt 18 kn.
Länge L pp 200 m
Breite B oa 26,5 m
Tiefgang T 6,95 m
benetzte Fläche S 5650 m 2
Modellmaßstab für das Doppelmodell λ 40
Modellmaßstab für das Schleppmodell λ 21,4
Tabelle 1: Hauptdaten
v M [m/s]
R T,M [N]
0,90 21,0
1,13 34,4
1,40 54,7
1,62 75,9
2,00 120,9
Tabelle 2: Widerstandsversuch
a) Berechnen Sie den Formfaktor nach Hughes/Prohaska
b) Ermitteln Sie für die Entwurfsgeschwindigkeit sowohl nach Hughes/Prohaska als auch nach Froude
den Widerstand der Großausführung.
b) Wie erklären Sie sich die Differenz zwischen den beiden Methoden?
Institut für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit
www.ssi.tu-harburg.de
3/6

Widerstand und Propulsion SoSe 2008
Klausur, 18.09.2008
Aufgabe 2
In der Versuchsanstalt wird eine Platte mit den in Tabelle 3 gegebenen Abmessungen der Länge nach
geschleppt.
Länge der Platte L [m] 2 Breite der Platte B [m] 0,5
Geschwindigkeit 1 v 1 [m/s] 0, 1 Geschwindigkeit 2 v 2 [m/s] 0,5
Tabelle 3: Versuchsparameter
a) Bestimmen Sie den Widerstand der Platte für die beiden Geschwindigkeiten.
b) Berechnen Sie die Grenzschichtdicke für die beiden Fälle.
c) Berechnen Sie den Widerstand der Platte bei 0,1 m/s bei einer turbulenten Umströmung.
d) Wie kann der unter c) angenommene Strömungszustand erzwungen werden?
Institut für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit
www.ssi.tu-harburg.de
4/6

Widerstand und Propulsion SoSe 2008
Klausur, 18.09.2008
Aufgabe 3
Für einen Schiffsneubau soll ein Propeller entworfen werden. Durch Widerstandsversuche wurden die
beiden Widerstandskurven ermittelt (5). Die Entwurfsgeschwindigkeit soll 23 kn, der maximale Propellerdurchmesser
8 m betragen. Für die Propulsorauswahl steht das Seriendiagramm in Abbildung 1 zur
Verfügung (siehe unter Anhang). Unbekannte Werte sollen sinnvoll abgeschätzt werden. Das Schiff soll
mit einem Festpropeller ausgerüstet werden. Es sollen die üblichen Zuschläge von 15% Sea-Margin und
15% Engine-Margin berücksichtigt werden.
Länge L PP [m] 174 Breite B [m] 20
benetzte Fläche S [m 2 ] 5100 Tiefgang T [kn] 7
Sogziffer (t) [−] 0,17 Nachstromziffer (w) [−] 0,22
Hauptspantvölligkeit c m [−] 0,95 Geschwindigkeitsverhältnis
v HW
vH
[−] 0,965
Tabelle 4: Hauptdaten
v S [kn] R T,Trial [kN] R T,Design [kN]
18 500 505
19 556 566
20 617 635
21 688 711
22 761 797
23 841 897
24 937 1013
Tabelle 5: Widerstandskurven
a) Wählen Sie einen geeigneten Propeller für das Schiff aus! Erläutern Sie Ihr Vorgehen!
b) Berechnen Sie für Entwurfsbedingungen den Leistungsbedarf.
c) Welche Geschwindigkeit erreicht das Schiff auf der Probefahrt, wenn der Motor eine maximale
Drehzahl von 90 1/min zuläßt.
d) Berechnen Sie den Leistungsbedarf für die Fahrt bei einer Wassertiefe von 18m und einer Geschwindigkeit
von 23 kn.
Institut für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit
www.ssi.tu-harburg.de
5/6

Widerstand und Propulsion SoSe 2008
Klausur, 18.09.2008
III Anhang
1.0
0.9
0.8
B 4-40
10K Q P/D = 1, 4
1,3
0.7
1,2
KT η0 10KQ
0.6
0.5
0.4
0.3
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
η 0 P/D = 0,7
0,8
K T P/D = 1, 4
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,3
0.2
1,2
1,1
0.1
0
1,0
0,9
0,8
0,7
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
J
Abbildung 1: Seriendiagramm
Stoffdaten und Konstanten
Dichte (Seewasser, bei 15 ◦ C):
kinematische Viskosität (Seewasser, bei 15 ◦ C):
Dichte (Süsswasser, Versuchstank):
kinematische Viskosität (Süßwasser, Versuchstank):
Dichte der Umgebungsluft bei 20 ◦ C:
dynamische Zähigkeit der Umgebungsluft bei 20 ◦ C:
̺See = 1025 kg
m 3
ν See = 1, 19 · 10
̺Tank = 998, 4 kg
ν Tank = 1, 04 · 10
̺Luft = 1, 20 kg
m 3
−6 m2
s
m 3
−6 m2
s
−5 kg
η Luft = 1, 817 · 10
m·s
Erdbeschleunigung: g = 9, 81 m s 2
kritische Reynolds-Zahl (Plattenreibung) Re krit = 5 · 10 5
Institut für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit
www.ssi.tu-harburg.de
6/6