Im Rahmen des vom BMWI geförderten Forschungsvorhabens ROLLTANK wurde ein Verfahren zur verbesserten Bestimmung der Strömungsvorgänge in Rolldämpfungstanks entwickelt, das zu einem verbesserten Entwurf einer solchen Anlage im Hinblick auf ein optimales Seegangsverhalten eines Schiffes genutzt werden kann. Die Verfahrensentwicklung wurde durch begleitende Laborversuche unterstützt. Durch den Einsatz einer modifizierten Rollanlage mit elektrischem Antrieb zur Anregung eines vom Schiff isolierten Rolldämpfungstanks zu definierten sinusförmigen Schwingungen konnten neben Untersuchungen eines Labormodells eines RoPax-Schiffes in der Schlepprinne weitere nützliche Daten zur Validierung des zu entwickelnden Verfahrens bereitgestellt werden.Zur Untersuchung auf der Rollanlage wurden 2 Frahmtanks und ein Boxtank konzipiert und ausgelegt. Das Versuchsprogramm umfasste Messungen mit sinusförmiger Anregung bei Variation der Frequenz, der Rollamplitude des Tanks und der Füllstandshöhe. Verschiedene Varianten von Einbauten innerhalb der Tanks wurden berücksichtigt. Die Auswertung der Messungen wurde durch Videoaufnahmen und den Einsatz von Ultraschallsonden unterstützt.
Die Laborversuche in der Schlepprinne mit eigens entworfenen Frahm- und Boxtanks wurden bei Variation von Wellenhöhe und Wellenlänge sowie der Seegangsstärke und der metazentrischen Höhe in regulären und irregulären Seegängen durchgeführt. Um definierte Randbedingungen für die Validierung zu gewährleisten, erfolgten die Versuche in Quersee ohne Fahrtgeschwindigkeit.
Für die weitere Auswertung der Laborversuche und für die Verfahrensentwicklung wurden für ausgewählte Fälle RANSE-Berechnungen durchgeführt.
Ausgangspunkt für das zu entwickelnde Verfahren war die Morison-Gleichung, die im Hinblick auf geschwindigkeits- und beschleunigungsproportionale Anteile eines entwickelten Wirbelsystems erweitert wurde. Im Ergebnis werden Beiwerte für Widerstand und Dämpfung geliefert, die in Abhängigkeit der Versperrung in den Tanks mit empirischen Formeln korrigiert werden. In der weiteren Entwicklung wurden Flachwassergleichungen verwendet, die für die entwickelten nichtlinearen Anteile erweitert wurden. Diese Gleichungen bildeten die Grundlage für anschließende nichtlineare Tankberechnungen mittels der nichtlinearen Streifenmethode ROLF. Zu diesem Zweck wurde das Verfahren ROLF im Unterschied zum Verfahren STRIP (lineare Streifenmethode aus dem Programmsystem UTHLANDE) mit zusätzlichen Tools zur Tankberechnung erweitert. Umfangreiche Simulationen wurden mit dem neuen Verfahren durchgeführt und zu deren Validierung mit den Ergebnissen der Laborversuche abgeglichen.
Die umfassende Validierung und der Vergleich mit bisherigen Verfahren zeigen, dass mit der Implementierung des neuen Verfahrens in ROLF eine schnelle und effiziente Prognose der Rolldämpfung des Tanks vor allem bei großen Rollbewegungen möglich ist. Gegenüber dem Verfahren STRIP können erstmals auch Effekte parametrischer Rollerregung bei Schiffen mit Rolldämpfungstanks ermittelt werden. Der Einsatz des Verfahrens für Projekte der Schiffbauindustrie ist deshalb in den Bereichen sinnvoll, in denen es auf möglichst geringe Rollbewegungen des Schiffes während des Einsatzes auch in extremen Seegängen ankommt, um vor allem die Gefährdung von Mannschaft und Schiff zu minimieren. Der zukünftige Markt wird neben Passagierschiffen und Yachten bei Anwendungen in Projekten der Offshoreindustrie gesehen. Dazu zählen Arbeitsschiffe und Versorger von Windkraft- und Offshoreanlagen, bei denen ein Anlegen bei starken Seegangsbewegungen möglich sein muss. Der Einsatz des Verfahrens trägt damit nicht zuletzt auch zur Erhöhung der Schiffssicherheit bei.
Autor: Dr.-Ing. Matthias Fröhlich, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH
