Das Seegangsverhalten von Schiffen und Offshorekonstruktionen wird mittels Modellversuchen und mit numerischen Simulationen ermittelt.Modellversuche im Seegang werden in der Schlepprinne durchgeführt. Hierfür steht ein hydraulischer Wellenerzeuger, mit dem neben verschiedenen Wellenspektren auch reguläre Wellen und transiente Wellenpakete generiert werden können, zur Verfügung. Signifikante Wellenhöhen sind im Modellmaßstab bis 0.23 m bei Modalperioden bis zu 2.5 s möglich. Bei einem Modellmaßstab von etwa 1:40 können dabei Seegangsspektren bis zu Sturmstärke mit etwa 10 m signifikanter Wellenhöhe bei 18 s Modalperiode im Schiffsmaßstab nachgebildet werden. Der Vermeidung unerwünschter Wellenreflexionen dienen ein Strand mit natürlicher Neigung sowie zusätzliche seitliche Wellendämpfer zur Absorption von Diagonalwellen.

Seegangsversuche erfolgen mit freifahrenden, selbstangetriebenen Modellen zur Erfassung der Bewegungen und Beschleunigungen sowie der Wasserübernahme, Relativbewegung, Propelleraustauchung und von Slammingerscheinungen. Die Effektivität von gesteuerten Zero-Speed-Flossen hinsichtlich deren Rolldämpfung wird in Versuchen mit dem Modell ohne Fahrtgeschwindigkeit vorgenommen. Die Ermittlung von Kraftbeiwerten erfolgt in Versuchen mit gefesseltem Modell.

Seegangsversuche können in Gegen- und Folgesee sowie bei schräg anlaufendem Seegang bis maximal 35° Kursabweichung durchgeführt werden. Letztere erfolgen in Form von Zick-Zack-Fahrten, die von den Klassifikationsgesellschaften als Versuchstechnik anerkannt sind.
Das Bewegungsverhalten der Untersuchungsobjekte wird über ein hochauflösendes optisches Bahnverfolgungssystem erfasst. Dieses System erlaubt die berührungslose Messung der gekoppelten Bewegungen von Zweikörpersystemen in allen 6 Freiheitsgraden sowie Geschwindigkeiten und Beschleunigungen an definierten Positionen.

Für numerische Simulationen des Seegangsverhaltens steht das Programmsystem UTHLANDE zur Verfügung. Auf Basis einer linearen und nichtlinearen Streifenmethode erlaubt dieses System die Berechnung der Bewegungen und Belastungen von Einrumpfschiffen und Katamaranen für alle 6 Freiheitsgrade. Das Programm liefert die statistischen Kennwerte (Kurzzeit- und Langzeitstatistik) für lang- und kurzkämmigen Seegang mit Darstellung in kartesischen oder Polar-Diagrammen bzw. eine Videoanimation auf Basis eines „Ship motion viewer“. Das Verfahren liefert wertvolle Erkenntnisse bei Variation verschiedener seegangsspezifischer Parameter im Optimierungsprozess und dient als wertvolle Unterstützung von Modellversuchen.

Die Manövrierfähigkeit und Gierstabilität eines Schiffes sind entscheidende Kriterien für den sicheren Betrieb eines Schiffes. Daher gehören Untersuchungen zum Manövrierverhalten von Schiffen  zu den Kernaufgaben der SVA Potsdam. Der Fokus liegt dabei sowohl auf der Durchführung von Modellversuchen als auch auf Simulationsberechnungen. Manövrierversuche werden entweder mit freifahrenden Modellen in der Schlepprinne (eine Auswertung erfolgt hier über eine Systemidentifikation) oder auf freien Gewässern realisiert. Es können beliebige Manöver, wie Drehkreise, Z-Manöver, Williamson-Turn, Spiralkurven, untersucht werden. Auf freiem Gewässer werden Modellgrößen bis zu 8 m untersucht. Unterwasserfahrzeuge werden sowohl freifahrend als auch an einer SUBPMM-Anlage untersucht. Manövrierversuche werden für konventionelle Schiffstype auch für spezielle Fahrzeuge wie z. B. schnelle Schiffe (Halbgleiter und Gleitboote), Doppelendfähren und Unterwasserfahrzeuge durchgeführt. Manöversimulationen beruhen sowohl auf Versuchen als auch auf Berechnungen. Mit der u.a. durch die SVA Potsdam entwickelten Softwareumgebung Uthlande kann das Manövrierverhalten von Schiffen auch im Seegang simuliert werden. Besonders im Entwurfsstadium, wenn verschiedene Varianten verglichen werden müssen, ist dies die gegebene Herangehensweise.

Je nach Aufgabenstellung erhält der Kunde als Ergebnis die Kriterien für den IMO Standard for Ship Manoeuvrability (IMO Resolution MSC. 137(76)), Aussagen über die Gierstabilität, den Geschwindigkeitsverlust, Spiralkurven, etc.

Großausführungsmessungen werden mit eigenem Team und eigenem Aufzeichnungs-System (DGPS) durchgeführt. Die SVA Potsdam führt neben der Bestimmung des Manövrierverhaltens der Großausführung auch Meilenfahrten, Leistungs-, Vibrations- und Geräuschpegelmessungen sowie Kavitationsbeobachtungen durch.

Für einen guten Propellerentwurf ist eine detaillierte Kenntnis des nominellen Nachstromfeldes, also der Geschwindigkeitsverteilung in der Propellerebene notwendig. Zur experimentellen Bestimmung des Nachstromes werden 5-Loch-Kugelsonden, LDA  oder PIV („Particle Image Velocimetry“) eingesetzt. Standardmäßig wird eine 5-Loch-Kugelsonde verwendet und bietet dabei folgende Möglichkeiten:

• Messungen in der Propellerebene
• Messungen am Ort der Anhänge, z. B. der Wellenbockarme
• Mit der Sonde können beliebige Koordinaten angefahren werden
• 3-Dimensionale Nachstromfeldmessung

Die Standard-Messung eines Nachstromfeldes für Einschrauber wird auf 6 Radien jeweils alle 5° durchgeführt. Für Messungen hinter Podded Drives, Wellenböcken u.a. wird die Auflösung entsprechend angepasst.

Neben der experimentellen Bestimmung  des Nachstromfeldes ist eine Berechnung mittels CFD-Simulation möglich. Vorteil einer CFD-Simulation ist die Berechnung des Geschwindigkeitsfeldes für die Reynoldszahl der Großausführung.

Die SVA Potsdam untersucht und optimiert Gleiter und Halbgleiter hinsichtlich ihrer dynamischen Fahreigenschaften in Verdränger- und Gleitfahrt. Dazu zählen u.a. Untersuchungen bezüglich konstruktiver Maßnahmen, welche ein frühzeitiges und stabiles „Angleiten“ fördern sowie eine stabile Schwimmlage während der Gleitfahrt gewährleisten. Bei allen Betrachtungen stehen ein geringer Leistungsbedarf, Stabilität und Seeverhalten im Fokus der Untersuchungen. Das dynamische Fahrverhalten von Gleitbooten kann sowohl experimentell als auch numerisch untersucht werden. Hierbei können durch gezielte Modifikationen und Einstellungen am Modell optimale Lösungen gefunden werden. Das Leistungsangebot der SVA umfasst im Bereich der Gleitboote folgende Untersuchungsschwerpunkte:

• Widerstands- und Propulsionsversuche
• Findung einer optimalen Interceptoreinstellung
• optimale Schwerpunktlage
• optimale Staukeile oder Trimmklappen
• Entwurf und Untersuchung von Spritzleisten
• Manövrierversuche im Freiland
• Untersuchung von Gleitstringern

Schlepper sind mit einer leistungsstarken Antriebsanlage ausgerüstet, um andere Schiffe oder große schwimmfähige Objekte zu schieben oder zu ziehen. Die Schlepper sind überwiegend mit Düsenpropellern, Thrustern oder Voith-Schneider-Propellern ausgerüstet. Die Leistung und damit der Pfahlzug der Schlepper haben sich in den letzten Jahren deutlich erhöht. Deshalb müssen Aspekte der Reynoldszahlkorrektur für Düsenpropeller, Thruster und Voith-Schneider-Propeller sowie die Gefährdung hinsichtlich eines Schubabfalls durch Kavitation beim Entwurf stärker beachtet werden.

Im Rahmen von FuE-Vorhaben, gefördert durch das BMBF und das BMWi wurden in den letzten Jahren systematische Berechnungen und Modellversuche mit Schleppern und deren Antriebssysteme durchgeführt. Im FuE-Vorhaben „Korrelation Z-Antrieb mit Düsenpropeller“ wurden die Erkenntnisse auf dem Gebiet der CFD-Berechnungen erfolgreich für die systematische numerische Untersuchung von Düsenpropellern angewendet [1]. Die ermittelten Hinweise und Verfahren zur Reynoldszahlkorrektur sind eine wichtige Grundlage für die Bewertung von Versuchen mit freien Düsenpropellern oder mit Thrustern mit Düsenpropellern. In den FuE-Vorhaben „Erhöhung der Entwurfssicherheit von Düsenpropellersystemen unter Pfahlzugbedingungen“ und „Reynoldszahleinflüsse auf die Pfahlzugprognose“ wurden die Verfahren der Pfahlzugprognose bei Schleppern mit Düsenpropelleranordnung analysiert [2], [3]. Insbesondere die Erkenntnisse zum kavitationsbedingten Schubabfall des Düsenpropellers bei hohen Schubbelastungsgraden sind heute ein Bestandteil im Entwurfsprozess des Düsenpropellers. Mit dem von der SVA erarbeitetem Diagramm zur Abschätzung der Gefahr von kavitationsbedingtem Schubabfall kann die Notwendigkeit von Kavitationsversuchen bestimmt werden.

Umfangreiche Untersuchungen zur Kavitation an den Antriebssystemen von Schleppern wurden im Kavitationstunnel der SVA und im großen Umlauf- und Kavitationstunnel (UT2) der TU Berlin durchgeführt [2], [3], [4], [5]. Dazu wurden u.a. Pfahlzugversuche bei Kavitationsähnlichkeit mit Modellen von AHTs sowie Voith Water Traktoren (VWT) realisiert.Im FuE-Vorhaben „Prognosesicherheit für den Leistungsbedarf von Schleppern mit Düsenpropellersystemen“ wurden Geosim-Versuche mit Schleppermodellen sowie umfangreiche CFD-Berechnungen durchgeführt, um die Maßstabseinflüsse auf die Propulsionsprognose für Schlepper analysieren zu können. Die Ergebnisse der Messungen und Berechnungen wurden mit Großausführungsmessungen von AHTs verglichen und in die Prognoseverfahren integriert.

Ein Maximum an Performance mit einem Minimum an störenden Einflüssen zu verbinden ist das Ziel jeder Yachtuntersuchung. Schwerpunkte der Entwicklung und Optimierung sind deshalb u.a. die Schiffsumströmung mit einer möglichst homogenen Zuströmung zum Propeller, das Seegangsverhalten (Rolldämpfung), die Untersuchung und Vermeidung von Vibrationen und Geräuschen sowie die Abgasausbreitung.Mit den folgenden Leistungen werden Yachtprojekte unterstützt:

• Berechnung der Umströmung des Unterwasserschiffes und Ausrichtung von Anhängen (Wellenbockarme, Stabilisierungsflossen, …)
• Widerstands- und Propulsionsversuche
• Optimierung von Staukeilen, Interceptoren und Spritzleisten
• Strömungsvisualisierung (Farbversuch, Fädchenversuch, Nachstrommessung)
• Berechnung des Seegangsverhaltens und der Manövriereigenschaften
• Manövrierversuche
• Seegangsversuche mit passiven und aktiven Stabilisierungsflossen
• Berechnung der Abgasausbreitung und der Abgaskonzentration an vorgegebenen Positionen
• Propellerentwurf
• Kavitationsversuche und Druckschwankungsmessungen mit Finalpropellern im Nachstrom der Großausführung
• Messung der Schallabstrahlung des Propellers

Die jeweiligen Messergebnisse werden auf die Großausführung extrapoliert, so dass den Designern und der Werft das spätere Verhalten der Yacht bereits vor dem Bau bekannt ist. Ziel der Untersuchungen sind neben der Ermittlung der grundlegenden hydrodynamischen Eigenschaften des Schiffes auch die Gewährleistung eines Höchstmaßes an Komfort an Bord des Schiffes. Hier spielen Druckschwankungsmessungen und die Hydroakustik eine

CFD-Berechnung für eine Segelyacht

Die hydrodynamische Analyse von Segelyachten stellt besonders hohe Anforderungen an die Versuchstechnik, da diese durch den Einfluss der Windkräfte krängen, gieren und vertrimmen. Die SVA verfügt über Messeinrichtungen, mit der der Widerstand bei vorgegebenen Gier-, Krängungs- und Trimmwinkel bei freier Tauchung bestimmt werden kann. Kräfte am Ruder und am Kiel können dabei ermittelt werden. Neben der experimentellen Untersuchung von Segelyachten können detaillierte hydro- und aerodynamische Strömungsberechnungen mit viskosen Verfahren (ANSYS) bis hin zur kompletten Analyse der Performance der Yacht durchgeführt werden.