WO2006018303A1

WO2006018303A1 - Schwimmkörper

Info

Publication number: WO2006018303A1
Application number: PCT/EP2005/008951
Authority: WO
Inventors: Jürgen DRENCKHAN; Norbert Auff'm Ordt
Original assignee: Hanse Yachts Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2006-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen im Betrieb von Wasser umströmten Schwimmkörper (6), beispielsweise die Aussenhaut eines Schiffes oder Bootes, der Ballastkörper einer Kielyacht oder der Turm eines U-Bootes. Der Schwimmkörper (6) besitzt eine Längsmittelebene (M), während die Aussenhaut des Schwimmkörpers (6) eine konvexe Form hat, die an einer konstruktionsbedingten Stelle eine grösste Dicke (D) aufweist. Gemäss Erfindung ist in der Aussenhaut des Schwimmkörpers (6) in Strömungsrichtung des Wassers vor der Stelle der grössten Dicke (D) ein konkaver Bereich (K) eingeformt.

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen im Betrieb von Wasser umströmten Schwimmkörper, beispielsweise die Außenhaut eines Schiffes oder Bootes, der Ballastkörper einer Kielyacht oder der Turm eines U-Bootes. Der Schwimmkörper besitzt eine Längsmittelebene, während die Außenhaut des Schwimmkörpers eine konvexe Form hat, die an einer konstrύktionsbedingten Stelle eine größte Dicke aufweist.

Bei der Formgebung von Schwimmkörpern besteht das Ziel im allgemeinen darin, den Strömungswiderstand zu senken und das Schiff seetüchtig zu machen. Denn die Senkung des Strömungswiderstandes führt vor allem zur Einsparung von Antriebsenergie oder Antriebskosten sowie zur schnelleren Fahrt bei gleicher Antriebsleistung. Der Strömungswiderstand eines Schwimmkörpers vom Verdrängertyp setzt sich aus verschiedenen Anteilen zusammen: Dem Druckwiderstand, dem Reibungswiderstand und dem Wellenwiderstand. Bei Segelbooten kommen noch der Widerstand durch Krängung und Abdrift hinzu. Für alle Widerstandskomponenten gibt es Bemühungen, diese zu senken.

Der Druckwiderstand wird durch die Reibungsverluste in der Grenzschicht, die sich zwischen dem Schwimmkörper und dem umströmenden Wasser ausbildet, verursacht. Er hängt von der Art der Strömung, laminar oder turbulent, von der Dicke der Grenzschicht und insbesondere von der Lage des Ablösepunktes der Grenzschicht vom Schwimmkörper ab. Zwischen der abgelösten Grenzschicht und dem Schwimmkörper entsteht dabei ein stark verwirbeltes Totwassergebiet, das über das Ende des- Schwimmkörpers hinaus reicht. Die Entstehung dieses verwirbelten Totwassergebietes führt zu einer erheblichen Zunahme des Strömungswiderstandes, was sich auch durch die Erhöhung des Druckwiderstandes zeigt.

Bislang ging man zur Senkung des Druckwiderstandes so vor, dem Heckteil von Schwimmkörpern eine definierte Form zu geben, die aufgrund ihrer Gestaltung die Größe des sich um das Heckteil ausbildenden Totwassergebiets reduzieren sollte. Damit wurde aber auf die Ursachen der Ablösung der turbulenten Grenzschicht kein Einfluss genommen und es konnten demzufolge auch nur begrenzte Wirkungen erzielt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, die Ablösung der turbulenten Strömung an umströmten Schwimmkörpern zu verhindern bzw. den Ablösepunkt soweit an das Ende des Schwimmkörpers zu verlagern, dass nur ein kleines Totwassergebiet von geringem Einfluss auf den Druckwiderstand verbleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentanspruchs 1. Diese bestehen darin, dass in der Außenhaut des Schwimmkörpers in Strömungsrichtung des Wassers vor der Stelle der größten Dicke ein konkaver Bereich eingeformt wird.

Dadurch wird erreicht, dass der Druckwiderstandes, der gewöhnlich etwa 10% des Gesamtwiderstandes beträgt, bei ungünstiger Formgebung aber auch wesentlich größer sein kann, wesentlich reduziert wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind vor der Stelle der größten Dicke des Schwimmkörpers mehrere konkave Bereiche eingeformt, zwischen denen jeweils konvexe Bereiche angeordnet werden.

Die Erfindung wird nun anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur Ia die Umströmung eines dem Stand der Technik entsprechenden Schwimmkörpers;

Figur Ib Verläufe der Strömungsgeschwindigkeit bei dem bekannten Schwimmkörper nach Fig. 1 a;

Figur 2a einen erfindungsgemäßen Schwimmkörper in schematischem Horizontal¬ schnitt; und

Figur 2b Strömungsgeschwindigkeitsprofile ähnlich wie in Fig. Ib, jedoch für den Schwimmkörper nach Fig. 2a.

In Fig. Ia ist die Umströmung 5 eines dem Stand der Technik entsprechenden Schwimmkörpers 6 von konvexer Form und mit einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Längsmittelebene M schematisch dargestellt. Nach dem Umschlag der Strömung von laminar in turbulent im Punkt 1 am vorderen Teil des Schwimmkörpers 6 nimmt die Schichtdicke der turbulenten Grenzschicht 2 in Strömungsrichtung stetig zu. Im Ablösepunkt 3 löst sich die turbulente Grenzschicht 2 vom Schwimmkörper 6.

Die physikalische Ursache der Ablösung ist in Fig. Ib schematisch dargestellt. Man erkennt, dass zwischen der turbulenten Grenzschicht 2 und der Außenhaut des Schwimmkörpers 6 noch eine viskose Unterschicht 7 liegt. In diesem Bereich kommt es zur Bildung einer Rückströmung und damit zur Ablösung der turbulenten Grenzschicht 2. In der Fig. Ib sind die Verläufe der Strömungsgeschwindigkeit v in Abhängigkeit vom Abstand n von der Oberfläche des Schwimmkörpers 6 in drei verschiedenen Positionen Al, Bl, Cl dargestellt. Die Positionen Al, Bl, Cl sind aus der Fig. Ia zu ersehen. Fortschreitend von der Position Al über Bl zu Cl ist aus der Fig. Ib erkennbar, dass die Strömungsgeschwindigkeit v in der Grenzschicht 2 im Grenzbereich zur viskosen Unterschicht 7 stetig abnimmt und beim Punkt Cl zu einer Rückströmung führt, die für die Ablösung der Strömung verantwortlich ist. Ursache dieses Effektes sind die Reibung und die konvexe Krümmung des Schwimmkörpers.

Die Erfinder haben nun erkannt, dass die Ablösung der Strömung verhindert werden kann, wenn es gelingt, Strömungsenergie innerhalb der turbulenten Grenzschicht 2 in das Randgebiet zur viskosen Unterschicht 7 zu transportieren und damit die Reibungsverluste zu kompensieren.

Dieser Energietransport ist in überraschender Weise durch die erfindungsgemäße konkave Formgestaltung eines Bereichs K vor dem Bereich der größten Dicke D des Schwimmkörpers ermöglicht worden. Dies zeigen die Fig. 2a und Fig. 2b. Der Energietransport in einer konkaven turbulenten Grenzschicht 2 hängt von der Strömungsgeschwindigkeit v', dem Turbulenzgrad, der Grenzschichtdicke d dem Radius R und der Bogenlänge L des konkaven Bereiches K ab. Diese Parameter können so gestaltet werden, dass ausreichend Strömungsenergie in den Grenzbereich zur viskosen Unterschicht 7 transportiert wird, so dass trotz der Energieverluste im sich anschließenden konvexen Bereich des Schwimmkörpers 6 keine Ablösung der Strömung erfolgt. In Fig. 2b sind die Strömungsprofile in den zu Fig. Ib analogen Positionen A2, B2 und C2 dargestellt. Durch die konkave Krümmung ist in der Position A2 die Strömungsgeschwindigkeit v' an der Grenze zur viskosen Unterschicht 7 höher als in der vergleichbaren Position Al aus Fig. Ib, so dass also v' > v gilt. Diese höhere Strömungsgeschwindigkeit wird durch den oben erwähnten Energietransport innerhalb der turbulenten Grenzschicht in Richtung viskoser Unterschicht 7 bewirkt. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit v' ist ausreichend, um im anschließenden konvexen Bereich eine Rückströmung und damit Ablösung zu verhindern, was in den Positionen B2 und C2 von Fig. 2b dargestellt ist.

Eine turbulente Grenzschicht, die entlang einer konkav gekrümmten Wand- gefuhrt wird, vergrößert ihre Dicke. Das fuhrt zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes. Es ist daher zu beachten, dass der Krümmungsradius R des konkaven Bereiches K und seine Länge L dem erfindungsgemäßen Ziel optimal angepasst werden müssen, um nicht den Vorteil der Senkung des Druckwiderstandes durch eine Erhöhung des Reibungs¬ widerstandes aufzuheben.

Bei sehr kurzen Schwimmkörpern ist es möglich, dass die turbulente Grenzschicht 2 keine ausreichende Dicke für den physikalischen Effekt des Energietransportes in einer konkaven Strömung hat. In dem Fall sollte man durch bestimmte Formgebung des Vorschiffes die Grenzschichtdicke vergrößern.

Eine turbulente Grenzschicht, die entlang einer, bezogen auf die Hauptströmung, konvex gekrümmten Wand fließt, verändert ihre Schichtdicke nur gering, aber der Turbulenzgrad kann sich verringern, wodurch der Reibungswiderstand sinkt. Es kann daher von Vorteil sein, den. vorderen Teil des Schwimmkörpers 6 unter dem Aspekt der Optimierung der Grenzschicht 2 unter Einbeziehung konvexer Bereiche zu gestalten.

Wenn der Turbulenzgrad oder die Dicke der turbulenten Grenzschicht im konkaven Bereich K für den erfindungsgemäßen Zweck nicht ausreichend sind, ist es vorteilhaft, im vorderen Teil turbulenzerzeugende Mittel einzusetzen, die ihrerseits auch zu einer Aufdickung dieser Grenzschicht führen können. Da diese Mittel aber in der Regel zu einem stärkeren Anstieg des Strömungswiderstandes fuhren, ist der Formgebung ohne zusätzliche Mittel der Vorrang zu geben. Im Gegensatz zum Stand der Technik wirkt die Erfindung also unmittelbar auf die Entstehungsursache der Ablösung der turbulenten Grenzschicht und damit auf die Entstehung des Totwassergebietes ein, was bisher noch nie angeregt worden ist.

Claims

Patentansprüche

1. Umströmter Schwimmkörper, beispielsweise die Außenhaut eines Schiffes oder Bootes, der Ballastkörper einer Kielyacht oder der Turm eines U-Bootes, wobei der Schwimmkörper (6) eine Längsmittelebene (M) besitzt und die Außenhaut des Schwimmkörpers (6) eine konvexe Form hat, die an einer konstruktionsbedingten Stelle eine größte Dicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenhaut des Schwimmkörpers (6) in Strömungsrichtung des Wassers vor- der Stelle der größten Dicke (D) ein konkaver Bereich (K) mit einer Länge /(L) und einem Radius (R) eingeformt ist.

2. Schwimmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Stelle der größten Dicke (D) des Schwimmkörpers (6) mehrere konkave Bereiche eingeformt sind, zwischen denen jeweils konvexe Bereiche liegen.