Str8mungsiinderungen durch fahrende Schiffe im

NeBmersieler AuBentief

Von Ernst MULLER und Helmut BINEK

Zusammenfassung

Durch Bodendruckmessungen im NeBmersieler AuBentief wurden mit Hilfe der Bernoulli-

Gleichung die Obergeschwindigkeiren neben fabrenden Schiffen ermittelt.Die normierten Ergebnisse zeigen, da£ die Gr6Be der Schiffe, die Wassertiefe und somit das

Querschnittsverh tnis „n" den dominierenden EinfluB auf die Ubergeschwindigkeiten besitzen.Die gr8£te mittlere Uber eschwindigheit betr gt ca. 40 % der Schiffsgeschwindigkeit gegen

Wasser, die gr6£te maximate Ubergeschwindigkeit ca. 110 %, wobei in beiden FMien das Quer-schnittsverliiltnis n=3 ist.

Als Endergebnis werden zwei Diagramme gegeben, in denen gemittelte (integrierte) OberAVm AV

geschwindigkeiten - und die Maximalwerte  " aber dem QuerschnittsverhdltnisV. VI

AATn -- aufgetragen worden sind.

AM

Summary

The changes in floB on the side of ywnning ships bave been determined from press*yemazsmements on the bottom of tbe Neflmersieley A entief witb the aid of Bernoalli equation.

Dimenionless res*lts shore the dominating inflwence of the ship size, tbe waterdeptb and

consequently the yatio ofcross-sectional areas „n".Tbe highest mean bac flore valwe amounts to 40 % of the ship's speed against gcter witli

absolute maximwm valwes amo inting to wbowt 110 %, gbereby tbe ratio of cross-sectional areas inbotb cases is n - 3.

In condusion two diagrams are presented in gbic.6 tbe integmted mean backBow and themaximum values of the backflow dependmt on Yatio of cross-sectional aveas aYe plotted.

Inhalt

1. Einleitung. . . . . . 652. Aufgabenstellung . . 663. Vorarbeiten.........

. 66

4. Theoretische Oberlegungen . 665. Me£rechnik,Mehplatz . - . . 736. Versuchsdurchfuhrung . .

76

7. Auswertung. .80

8. Ergebnisse..... 809. Symbolverzeiclmis . 87

10. Schriftenverzeichnis.88

1. Einleitung

Im Rahmen der Untersuchungen, die zur Stabilisierzing der AuBentiefs an der deurschen

Nordseekuste, d. h. gegen Versandung und Verschlickung, durchgefuhrt werden, sollten auf

Die Küste, 44 (1986), 65-88

Veranlassung des Bundesministers fur Forschung und Technologie (BMFT) von der Ver-

suchsanstalt fur Binnenschiffbazi Duisburg (VBD) Messungen durchgefuhrt werden, die den

EinfluE der Schiffahrt auf den Sedimentrransport deurlich machen.

Die VBD-Untersuchungen soliten helfen, die komplexen Zusammenhinge zwischen

Fahrwasserquerschnitt, Schiffstiefgang, Fahrgeschwindigkeit, Ruckstromgeschwindigkeit und

Wasserspiegelabsenlcungen, die fur den Transport von Sohlenmaterial mitbestimmend sind, zu

kliren.

W hrend einer Vorbesprechung am 17. 5. 1982 im Bauamt fur Kustenschutz, Norden,wurden zwischen den beteiligten Stellen

- dem Landesamt fik Wasserhaushalt und Kiisten Schleswig-Holstein, Kiel,- dem Bauamt fur Kustenschutz, Norden,- und der Versuchsanstalt far Binnenschiffbau, Duisburg,

die Aufgaben besprochen und festgelegt.

2. Aufgabenstellung

Fur die Versuchsanstalt ergab sich folgende Aufgabe:Messung und Quantifizierung der durch Motorschiffahrt verursachten hydrody-namischen Komponenten unter verschiedenartigen Parameterkombinationen wie

Schiffsgralie, Fahrtrichtung, Fahrtgeschwindigkeit, Tideverhaknisse, Schwebstoff-

konzentrationen.

3. Vorarbeiten

Zur Bestimmung eines geeigneten Meliplatzes fand am 17. 5. 1982 eine Ortsbesichtigungam NeBmersieler Azilientief start. Dabei konnren die geographischen Vet·hbitnisse bei ver-

schiedenen Wasserstdnden in Augenschein genommen (Abb. la-c) und die geeigneten Quer-schnitte far die Messungen festgelegt werden (Abb. 2).

In der Zeit vom 23.-27.8. 1982 sind Vorversuche zur Erprobung der Mefitectinik

durchgefuhrt worden.

Die VBD hat wihrend dieser Vorversuche Druckinderungen am Boden der Fahrrinne

des Aulientiefs gemessen, w hrend einige Schiffe durch den Mefiquerschnitt fuliren. Der

MeEgeber war ca. 500 m vom Hafenkopf und ca. 18 m seidich vom Leitdamm entfernt

installiert worden (s. Abb. 2). Eine Anordnung des Gebers in AuEentiefmitte (Lingsachse)hdtte bei Fahri der Baltrumfthren bei extremem Niedrigwasser zu Besch digungen des

Druckgebers und der Bodenplatten der Fihrschiffe fiihren k6nnen, was auf jeden Fall zu

vermei(len war.

Bei den Vorversuchen konnten die Anderungen des Wasserdrucks durch die Fallrt von

drei Schiffen unterschiedlicher GrliBe gemessen werden. Die Mellwerte wurden drahtlos mit

Hilfe einer PCM-Antage guis-fode-Modulation) vom Mefiquerschnitt zu den instationiren

Empfangs- und Aufzeichnungsgeriten am Hafenkopf ubertragen.

4. Theoretische Uberlegungen

Jedes Hindemis in str6mendem Wasser bzw. jedes fahrende Schiff in ruhigem Wasser

verursaclit im umgeben(len Wasser eine Druckver ndening, die wiederum eine Geschwindig-

66

Die Küste, 44 (1986), 65-88

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Abb. la-c

67

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Die Küste, 44 (1986), 65-88

68

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Houpkieeh iwr Tiefenatobitiaterung von Au6en f <efs

Uberath<sskizze M. 0 4.40000

Autbentief Nell,mers<e<

Aufgadelit Nordan,den 23 6.83

Bouamt fur Kudens©hut Norden

Abb. 2

keitsinderung der Wasserteilchen bedingt. An der Wasseroberfliche wird die Druck nderungals Verformung sichtbar, und zwar als lokale St6rung, die mit dem Schiff mitliiuft, und als freie

oszillierende Oberfltchenwellen, die hinter dem Schiff zuriickbleiben (M LLER, 1966). Die

lokale Verformung besteht aus Erhebungen an Bug und Heck, dem sog. Bug- und Heckstau,und einer Absenkung im Mittschiffsbereich, der sog. Mittschiffsmulde. Auf begrenzterWassertiefe bil(let sich diese lokale Verformung bereits bei geringen Fahrgeschwindigkeitenstark aus (s. Abb. 3). Durch die Mittschiffsmulde, die eine relativ groAe seitliche Ausdehnungbesirzt, wird die Wassertiete, und damir der Wasserquerschnitt, neben dem Schiff betrdchtlich

1

Die Küste, 44 (1986), 65-88

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45L ML

Niveoulinien neben einem fohrenden Schiff Ah [m]

MS „Johann Weiker'·, L.80,Om ,B-9,5m :T=201 : V=13 km/h = 7 kn

Abb. 3

verringert. Demzufolge muB nach der Kontinuitatsbedingung das Wasser in diesem Bereichmit vermehrter Geschwindigkeit am Schiff vorbeistr6men. Die hier bereits vol·handene, aus

der Verdr ngung des Schiffes resultierende Ubergeschwindigkeit wird dadurch noch weiter

vergroliert.Im seitJich und tiefenmiBig begrenzten Fahrwasser, z. B. in ehem Kanal, ist die lokale

Wasseroberflichenverformung deutlich verindert gegenuber unbeschrdnkter Fahrwasser-breite (Mi)LLER, 1969). Die Mittschiffsmulde weitet sich zu einer Seitenmulde aus, d. h., sieerstreckt sicli neben dem Schiff uber dessen gesamte Lange. Dabei dndert sich die Muldentiefeinnerhalb eines Querschnitts zwischen Bordwand und Kanalwand nur unwesentlicli (s.Abb. 4). Die Bug- und Heckstaugebiete werden flkhenm*Big geringer, so daE sie nur

schwierig aufzumessen sind.

MS,„Johonn Welker" im Dortmund- Ems- Kanal

Tiefgang T-2,Om;

Wosserfiefe h.3.Sm i Schifrsgeschw.: y.9.O Rm/h24,9*n

m- n.--AAIL=57AM

_ 1 _€4#Emy/T Z·. 43:.'. 3,·,.·.2·6-.,i."·5:.· f,: · f'r.·- 31,644* -

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1-1- _l--

Abb. 4

.'

69

1

Die Küste, 44 (1986), 65-88

V

.- ---

Querwellen

Abb. 5

Deutlich sichtbare, freie Oberfithenwellen (s. Abb. 5), die EinfluE auf die Druckverrei-

lung am Schiffskurper nelimen, entsrehen i. allg. erst bei Geschwindigkeiten, die FRouDE-

schen LiingenzahlenV

Fn -

.- >0,18 (1)Vg·L

entsprechen.Bei geringer werdender Wassertiefe verindert sich das Wellenbild, was sich in Abh ngig-

keit von der FROUDEschen Tiefenzahl

VF.6 ==

.Vg.hdarstellt. Im unterkritischen Geschwindigkeitsbereich

Fah <lbzw. V<VEK8ffnet sich der Winkel der Diagonalwellen mit zunehmender Geschwindigkeit. Die LAnge der

Querwellen wird immer gr6Ber, bis sie bei Erreichen der kritischen Zahl

F.b = 1 (Stauwellengeschwindigkeit)

ginzlich verschwunden sind. Der Winkel der Diagonalwellen hat sich dann von (y = 19'28'

auf 0 = 90' ge6ffnet, d. h., die Wellenfront steht senkrecht zur Schiffslingsachse. Im

uberkritischen Geschwindigkeitsbereich schlie£t sich der Diagonalwinkel wieder. Bei etwa

2,5- bis 3faclier Stauwellengeschwindigkeit ist der Kelvinwinkel wieder erreicht.

Die kommerzielle Schiffahrt Ehrt auf begrenzter Wassertiefe - vor allem im Kanal - im

unterkritischen Geschwindigkeitsbereich. Ausnahmen sind Hochgeschwindigkeitsfahrzeugewie Schnellboote, Gleitboote, TragfRigelboote etc.

Die Fahrwasserverh tnisse in einem Autientief sind mit denen in einem Kanal von

unregelmabigem Querschnix zu vergleichen. Die Wasseroberflachenverformung und damit

die Druck- und Geschwindigkeitsinderungen neben dem Schiff werden denen in einem Kanal

gleichen. Bei Fahrgeschwindigkeiten, die erheblich unter der kritischen Geschwindigkeir

liegen, kann der Strdmungsverlauf neben dem Schiff hier in erster N*lierung als eindimensio-

nal angenommen werden, d. h., merkliche Ver inderungen der Geschwindigkeit finden nur in

LEngsrichtung start:

70

Diaqonalwellen

ct=8028

(2)

Die Küste, 44 (1986), 65-88

71

80 a0 a 0-=Vo+UgE+AVE,60; -=v=0·-=w=0 (3)8x aY

'az

mit 0 GeschwindigkeitsporenrialVo Anstr6ingeschwindigkeit einer Parallelstr6mung, Schiffsgeschwindigkeit

u =AV, v, w Komponenten der St6rgeschwindiglieit, Zusatzgeschwindigkeit

Damit kann angenommen werden, daB die Bernoulligleichung

p/2Vg+pgh +po=p/2 90+AVY + pg(h+Ah)+po+Ap (4)

im gesamren betrachteren Stri mungsbereich Gultigkeit besitzt. Hierbei wird stationdre Stru-

mung vorausgesetzt, d. h.

3(VO+u)=0 (5)at

Die linke Seite der Gleichung (4) gibt die hydrodynamischen Verhiltnisse in ungestdrterStr6mung wieder, die rechte Seite die in gestarter Str mung. Dabei bedeuten weiter

g = Erdbeschleunigungh = Wasserriefe

po = konstanter Druck (Atmosphlrendruck)p = spez. Masse, Dichte

Ah = Wasseroberflichenverformung, Anderung der Ortsh6he

Ap = Anderung der Druckh8he

Setzt man in Gleichung (4) die Fahrgeschwindigkeit des Schiffes gegenuber Wasser Vwgleich der Anstr6mgeschwindigkeit Vo, also

VW= Vo (6)

und faBt die Wasseroberflichenverformung Ah, also die Anderung der geometrischen Hdhe,und die Anderung der Druckhahe Ap zusammen (eindimensionale Str6mung) und betraclitet

diese als Anderung des statischen Drucks

Ap,w· = pgAh + Ap, (7)

so lilit sich Gleichung (4) umformen in

AY=Vt- AP1

star,-1

Vo psvi (8)

Aus der Messung der statischen Druckinderung Ap,w. und der Bestimmzing der Schiffs-

geschwindigkeit gegen Wasser

VW = VL + Var B Vo (9)

VL = Geschwindigkeit des Schiffes gegenuber Land

Vs'. = Geschwindigkeit der Tidestrumung

1 :Et sid somit die Ubergeschwindigkeit, die das fahrende Schiff in Langsrichrung im

umgebenden Wasser induziert, ermitteln

Dali die Anwendung dieser Methode zur Ermittlung der Rackstromgeschwindigkeiteines in einem Kanal fahrenden Schiffes quantitativ zu erfreulich genauen Ergebnissen fiihrt,ist von M LLER (1969) nachgewiesen worden.

Die Küste, 44 (1986), 65-88

h = 3,5m v. 8,0 km/h e 4,3kn T=2,5m

Abstand der Menstelle aus Kanalmitte =6,5m

Spt.10 Spi.5 5pLO0 - . .

m

8 m   Wossersplegeil nderung 7-20 7 1 4

4 7/ A

*P -----\---I---5/

:1

-Fahrtrichlung

Stramungsverhallen

im

Dortmund- Ems - Kanot

infolge fahrender Schiffe

L Fn Frh n

Im]

- 80 0,08 0,45--- 65 0.09 0,45-·- 48 0,10 0,45

0,114 kp/cm2

Sp'.9-£../

landerung , 

Abb. 6

sv # 8 km/h

In Abb. 6 werden die hydrodynamischen Veranderungen in unmittelbarer Nahe lingsdreier unterschiedlicher Schiffe im Dortmund-Ems-Kanal gezeigt. Wassertiefe, Fahrge-schwindigkeit und Tiefgang waren konstant. Das Verhtltnis von Kanalquerschnitt zzi Schiffs-

Hauptspantquerschnitt war jedoch unterschiedlich. Fur die beiden kleineren Schiffe ergebensich uber die gesamte Schiffsl nge (Spant 10= Vorsteven, Spant 0= Achtersteven) jeweilsannihernd gleichbleibende Werte, d. h., die Bernoulligleichung (4) ist in der dargelegien Form

72

1 I

69-

8,0-

'20-

0,92 m

Spt.10 Spt.5 Spi. 0:

¤i\

EBodendruckanderung* ./ \

W- a \ 3..

--

/3 --

6C

2D- T 45

5,33B- 61

4D-

0 Spl. 10 Spi.5

\ M

  Geschwindigkeil0,2- :8 1I

1· -f------·'1\0.4- * ----i--*,

:I. 8 L/e.

0,6-  4

0,8-

1,0-----------

Die Küste, 44 (1986), 65-88

gukig. Fur das gr6Bere Schiff zeigt sich eine erhebliche Anderung. Im Hinterschiffsbereich

bildet sich ein starkes, 6rtlich begrenztes Unterdruckgebier aus, sichtbar durch eine tiefe

Wasserspiegetabsenkung, die mir starken Obergeschwindigkeiten verbunden ist. Die Strd-

mung ist hiernicht mehr station r. Es besteht die Gefahr der Grundberlihrung infolge starker

Parallelabsenkung des Schiffes und achterlicher Vertrimmung. Das grblere Schiff fattrt

offensichtlich zu schnell.

In diesem Fall deutet ein Vergleich der „normalen" FROUDESchen Tiefenzahl

V 8Fnb =-

- = 0,379Vg ·h -3,6 49,81 3,5

mit der „6rtlichen" FROUDESChen Tiefenzahl im Bereich der starken Muldenvertiefung

(V + AV) (8 + 8)FA = = = 0,883

Vg · (h - Ah) 3,6 49,81 (3,5 - 0,92)die hydrodynamischen Verinderungen an, die ein im begrenzten Fahrwasser fahrendes Schiff

verursacht. Die Str8mungsgeschwindigkeit in der Mulde erreicht fast die Stauwellengeschwin-digkeit. In diesem Bereich IREt sich Gleichung (4) nicht mehr exakt anwenden.

5. Melitechnik, Mefiplatz

Bei jedem Versuch ist anzustreben, die gesuchte physikalische Gr6Be direkt zu messen.

Im vorliegenden Fall wdre das die Str6mungsgeschwindigheit des Wassers nach Richtung und

Gr6Ee.

Bekannte handelsubliche Geschwindigkeitsmeligeber besitzen jedoch eine zu niedrige

i

Anordnung der Mellgeber auf der Menplotte (1984)

T

Il-i-*--  -1374 ,

  170

-------I

Abb. 7

73

R

2

2

1

m Y   BallrumB 3

411d). <74/

m

| Hafen

Die Küste, 44 (1986), 65-88

Eigenfrequenz, so dali die Wiedergabe der zu messenden Gr8Be phasenversetzt und damitauch amplitudenverfdlscht erfolgt.

Deshalb wurde auf die indirekte Ermittlung der Geschwindigheit durch Messen der

Druckinderung und Erreichen der Geschwindigheitsinderung nach Gleichung (8) ausgewi-chen. Es wurden DruckmeEgeber verwendet mit einem Melibereici von 0 bis 0.075 M Pa.

Diese Druckgeber sind auf einer Scheibe montiert worden, die wiederum an einem Erdbohrer

angeschw€i{it war (Abb. 7). Dieser Erdbohrer wurde soweit in die Sohle des Au£entiefs

eingebracht, bis die Trigerscheibe bundig mit OK Sohle abschloti. Die Druckgeber sind im

Modelltank der VBD sowohl statisch als auch dynamisch calibriert worden. Die Calibrierun-

gen zeigten, dail die an den MeEpunkten auftretende Verdrdngungsstr6mung bei Vorbeifahrtdes Schiffes uberwiegend parallel zur Schiffsldngsachse verlief.

Die Durchfuhrung der Versuche erfolgte im Zeitraum von zwei Jahren (1983 u. 1984),wobei die Meiltechnik des 2. Jahres gegenuber dem 1. Jahr etwas verhndert worden ist.

Aufgrund der Ergebnisse des Jahres 1983 wurde die Anordnung der DruckmeEgeber auf

der Trigerscheibe fur die Messungen in 1984 geindert. Zusitzlich wurde in einem 5 In vom

MeEquerschnitt entfernten Quersclinitt ein GeschwindigkeitsmeEgeber der NorddeutschenSeekabelwerke installiert, der Geschwindigkeiten in einer Ebene, also in zwei Richtungenaufnehmen kann. Obwohl dessen Eigenfrequenz fur die Messungen zu niedrig war, sollte eine

Kontrollmessung damit erfolgen, um einen Anhaltspunkt fiir die auftretenden Geschwindig-keiten in Querrichtung zu erhalten.

Einen Eindruck vom AuBentief, von der Lage der Melistelle und den Schwierigkeitenbeim Anbringen del· MeEgeber und der Datenubertragungsgerite vermitteln die Foroaufnah-

men der Abbn. 8 bis 10.

Abb. 8

74

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Die Küste, 44 (1986), 65-88

75

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FT** --   t  i'--, --9.. 365,-

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Abb. 9

Die Küste, 44 (1986), 65-88

Abb. 10

6. Versuchsdurchfuhrung

Nacli dem Aufbau der Melikette erfolgte eine Uberprufung der Gerite, bevor mit den

Messungen begonnen wurde. Der seitliche Abstand der Schiffe ist wthrend der Meilfahrtennicht gemessen worden. Die Schiffsfuhrer hatten die Anweisung erhalten, muglichst in Mitte

AuBentief zu fahren.

Versuche August 1983: MeBbeginn war der 29. 8. 1983, 12.00 Uhr. Die letzte

Messung erfolgte am 1.9. 1983 nach 14.00 Uhr. Als Versuchsobjekte standen zur Verfugung:Kutter WESTERDIECK: Linge 10,5 m, Breite 3,25 m, Tiefgang 0,7 m

Fdhre PALTRUM I: Linge 45,7 m, Breite 12,0 m, Abladetiefgang 0,8 m

und diverse Sportfahrzeuge, d. h. Motorboote und Segelyachten.Es sind insgesamt 33 Messungen durchgefulirt worden, wovon 18 auf die BALTRUM I

entfielen, 8 auf die WESTERDIECK und 7 auf Sportboote.Die Abbn. 11 bis 19 zeigen die Schiffsquerschnitte des Kutters WESTERDIECK und der

Flilire BALTRUM I, eingezeichnet in den Melquerschnitt des NeEmersieler Auttentiefs bei

den verschiedenen untersuchten Wasserstinden.Versuche September 1984: Diese Versuchsreilie begann am 5.9. 1984 um

17.35 Uhr und en(lete am 7. 9. 1984 gegen 10.15 Uhr. Versuchsobjekte waren ebenfalls wieder

der Kutter WESTERDIECK (Abmessungen s. 0.) und die Fihre BALTRUM I (Abmessungens. o.). Zusatzlich standen

Kutter MEMMERT: Ldnge 16 m, Breite 4,22 m, Tiefgang 0,9 m und

Flihre BALTRUM III: Lhnge 35,0 m, Breite 7,0 m, Tiefgang 0,8 m

fiir die Messungen zur Verfugung sowie 4 Sportboote.

76

***

I lial=. .11

--

--  =*=F-=121

*02  .

,,

Die Küste, 44 (1986), 65-88

Netimersieler Aumentief Station 1 +000

Versuchsdotum 18.8.1983

29 n .-AEL_ .45,9 ( bez. ouf 50 m Aullentiefbrelle 1AM

NN

3-45-i1 -:0-:

  4,5.3*48-:

\

34

h. 2 m , AAT.83.6 mz 7 1,1-111-

Kutter WESTERDIEK

L = 10,5 m

B = 3,25mT=0,7m

16.2,

f l17.9

1 '11 Ill6 10 20 30 40 50

Auflen tiefbreite [m 1

Abb. 11

Ne[imersieter Aunentief Station 1 +000 Kutter WESTERDIEK

Versuchsdatum 18.6.1983 L ·= 10,5mB . 3,25 m

_L. 27 i n =-  = 44,6 (bez nuf 50 m Aunentiefbreite)T· T = 0,7m

h= 19 mi AAT =81.1 n,2 7

M / -FTI  3. \ 9

--- i-0,5- -3 -Wit

=

4-15-;  

m ..W

3 -2p-:3 162

1 -.- 

1 6  i   17.9

0 10 20 30 50

AuBentiefbreite Iml

Abb. 12

NeBmersieter Aunentief Station 1 +000

Versuchsdatum 180.1983

4-1.4 n ,AAI-=20,3 (bez. auf 50 m AumentiefbratelAM

Kutter WESTERDIEK

L = 10.5 m

B = 3,25 m

T -0,7 m

MI Z4 \ P

 -0,5-  S\h=p m : AAT,359 '92 -==    -   -- ...3 4,0-F

1 -'·=El3 -20--:3 16.2

3 ,17.9

II0 10 20 30 4 50

Aunentiefbreite Im]

Abb. 13

11

h_T.- .

Die Küste, 44 (1986), 65-88

NN 

E-0.5-i  40-  -

  4.5.. E*-2,0 :

.

\

E

S

%

NN

E-OS-1 -ZO-E-u-3  -PD-

.

Nel}imersieter AuBentief Station 1 +000

Versu[hsdolum 18.8.1983

· .3.3 i n=- L = 13,5 Ibez.auf SOm Aullenhefbreite )

h=2.5 +2.7 m A =116,4 mz

r I20 30 6

Abb. 14 Aunentiefbreite Im]

Nellmersieler Aullentief Station 1 +000

h.7.2 -2.5 m : AAT.103.6 m2

Versuchsdotum 18 8.1983

29 3 n•I L =12 {bez ouf SOm Aullentiefbreitel

Fahre BALTRUM 1

Lua. 45,7*

L£wL= 43,7 m

B = 12,OrmT = 0,8 m

Fahre BALTRUM I

Liia . 45.7 m

Lo . 43,7 m

B = 12,0 mT = 0,8 m

'2

  3 16.217,9

I '1   1 10 10 20 40 50

Abb. 15Aulentiefbreite lm]

Netimersieter Aul}entief Station 1 +000

Versuchsdatum 18.8.1983

 1,2,3 i n =  , 9,1 thez. auf 5Dm Aulientlefbreitel

M\ h,1.8 -1.9 m: AAT=78 6 m2

5-0.5-='

E 4.S9-2,0-

>.

.*

i3

III20 30 40

Abb. 16 Aueentiefbrette lm]

Eahre BALTRUM I

Lu.0 •45,7 m

4 .43.7 m

B .12,0 m

T = 0,6 m

78

Fi

16.217.9

0 10150

hT=.

V

\ !

\7

16.2 117,9

1 r0 10 50

Die Küste, 44 (1986), 65-88

79

Filhre BALTRUM 1

Net}mersieter Aunentief Station 1 +000

Versuchsdotum 18.8.1983

 -= 1,9 1 n =- L-= 7,1 1 bez,our 5Om AullentlefbreitelL .0LIWLB

T

=45,7 m

= 43,7 m

= 12,Om= 0,Bm

NN I h.1.4 *1.6 m : AAT=613 mZ 9-

- .2

A :

E-0,5-i \ 1

1 -10-8.-1 -1.5- f    *_i:, 162

=

1791 -11 1

0 10 20 30 40 50

Abb. 17Aut]entiefbreite Im]

NN   E- 0,5- i3-1,0-:: :a

'E-05

3 -10

S MS-S

N .20

Net}mersie[er Aullentief Station 1 +000

Versuchsdotum 18.8.1983

 =1, 9 n , I 1 62 £bez. auf SOm AuBentlefbreite}

Abb. 18

30 40

Aullentiefbreite im]

NeBmersieler Auflentief Station 1 +000

Versuchsdotum 18.8.1983

 = 1,4 i n= · T=4,6 { bez.auT 50 m Aunentiefbreite IM

Fahre BALTRUM 1

|4.0 = 45,7 m

L[WL = 43,7 m

B = 12,Om

T = 0, Bm

Fahre BALTRUM I

Lii.0 = 45.7 rm

LIwL= 43,7 m

B =12,0 m

T = 0,8 m

NN . ,  V h=,1.1 m: AT=39.4 mz

-

:<-

1 -i:x.

E  \1,

..3 1,2 117.91 - 1 1

0 10 20 30 40 50

Abb. 19 Aunentiefbreite Iml

W

h=13 +14 m ,AAT:53,9 mz

16 2179

1 10 10 20 50

1> 1

1

Die Küste, 44 (1986), 65-88

Es konnten 25 Messungen durchgefuhrt werden, davon 3 mit der BALTRUM I, 2 mit der

BALTRUM III, 10 mit der MEMMERT, 4 mit der WESTERDIECK und 6 mit Sportfahr-zeugen.

Die Querschnittsrelationen fur diese MeBreihe sind far Kutter WESTERDIECK, Kutter

MEMMERT, FE:hre BALTRUM III und Falire BALTRUM I in den Abbn. 20 bis 28

dargestellt.

7. Auswertung

Bereirs bei der Auswertung der Meliergebnisse des Jahres 1983 zeigte sich, daE alle Geberden Druckverlauf unabhingig von ibrer Anordnung auf der Befestigungsscheibe nahezu

gleichwerrig wiedergaben. Dadurch konnte die weitere Bearbeitung vereinfacht werden.

Die Ergebnisse wurden als dimensionslose Gr6Ben AV/Vw bzw. DVNW (EDV-

Bezeichnung) iiber dem dimensionslosen Weg   bzw. 2X/L aufgetragen (s. als Beispiel

Abbn. 29 bis 33). Dabei bedeuten

2X/L =-1 Bug im MeEquerschnitt2X/L = 0 Mitte Schiff im MeEquerschnitt2X/L = 1 Heck im MeEquerschnitt

Alle weiteren Erklb:rungen sind im Symbolverzeichnis gegeben.Die Strdmungs nderungen, die der Kutter WESTERDIECK hervorruft, sind zwar

deutlich mehbar, jedoch relativ gering. Die Wassertiefen lagen mit Ausnabme einer Fahrt bei

ca.h=2m, wodurcli auch das Querschnitisverhtltnis „n" einen grohen Wert erreichte.

St rkere Ubergeschwindigkeiten ergeben sich neben dem fahrenden Kutter MEMMERT.

Auch hier ist der EinfluB der Wassertiefe bzw. der n-Zahl eindeutig zu erselien.

Ganz wesentliche Ruckstromgeschwindigkeiten werden durch die beiden Fahren BAL-

TRUM I und BALTRUM III erzeugt. Die Unterdruckmulde und damit das Obergeschwin-digkeitsgebiet bildet sich hier bei Wassertiefen h22m ain hernd symmetrisch zum

Hauptspant aus. Erst bei Wassertiefen unter h=2m wird die Mulde asymmetrisch, und es

kommt zu einer Vertiefung und damit sebr hohen Wassergeschwindigkeiten im Achterschiffs-

bereich.

Bei einigen Diagrammen ist zu sehen, daB die durch die Oberflichenwellen bedingtenoszillatorischen Druckanderungen auf den Gewasserboden noch durchschlagen. Die Ampli-tuden dieser Anderungen sind aber deutlich geringer als die Maximalwerte der Unterdrucke

bzw. Ubergeschwindigheiten, die aus der lokalen Verformung resuitieren.

8. Ergebnisse

Die im vorigen Kapitel genannten Abbildungen zeigen recht klar die erheblichen Uberge-schwindigkeiten neben bzw. unter fahrenden Schiffen im begrenzten Fahrwasser. Fur jede der

auswertbaren Fahrten wurden eine mittlere Ubergeschwindigkeit durch Integration bestimmt

und diese Werte uber einem geeigneten Parameter aufgetragen. Als unabhingige Variable

(Abszissenwert) bot sich das im Wasserbau vielfach benutzte Querschnittsverhilinis

Aufientiefquerschnitt_

AATn -

Schiffshauptspant-

AMan.

80

L

Die Küste, 44 (1986), 65-88

NNX

E  - : 1,0-   1.5-X: a

 '.70

NNX

1-03#F 1,0-

X

11    2,0- 

0

E23

Nelimersieter AuBentief Station 0+951,5Versuchsdatum 5-79.1984

  =3,1 ; n=  46,3 g bez.0.5Om Aunentiefbreite u NN )

h ,2,2 m : AAr= 84.2 m,

20 30

AuBen iefbreite Im]

Abb. 20

Nellmersieler AuBentief Station 0+951,5Versuchsdatum 5.-7.9.1984

- =2,3 ; n•- L •25,2 Ibez. ouf 501 Aullentiefbreite;

'V h .1.9- 2.2 m .Am = 76.73 mi

\

EE.

P

3

il

20 30

AuBentiefbrette Im]

Abb. 21

Nellimersieter Aunentief Station 0+951,5Versuchsdotum 5.-7.9.1984

- =1.8 ; n=- - = 19,5 Ibez. nuf 50 m Aullenfiefbrelte}

NN   h . 1,6 - 1.7 m ; AAT .59.37 m2

 45   1,0-   E 1.5-2  / V.-

 2,%=I

0

7-17 ;1

20 30

Aurentiefbreite Im]

Abb. 22

Kutter „WESTERDIEK "

L = 10,5 m

B = 3,25 m

T,0.7m

Kutter MEMMERT

L = 16,0 m

B = 4.22 m

T = 0,9 m

Kutter MEMMERT

L =16,0 m

B . 4,22 m

T.09m

81

Ot.4

1 /

/

Menpunkt

10 40 50

E4/ 23

Metpunkt

110 40 50

E:1

4/

Me8punkt

10 40 50

Die Küste, 44 (1986), 65-88

NeBmersieter Aullentief Station 0+951,5Versuchsdatum 5.-7.9.1984

 =1,3 i n=· I--,10.7 (bez. auf SOm Aul]entiefbreitel

 _0;    h= 1,0 + 1.3 m , AK =3Z45 mz

-2 10- =

  1,5-X E Me[3 punkt

: Ei z xj

I

0 10

NNX

WK,a: 1.0-Q.% 1.5-3

/\

1 2,80

20 30

Autientiefbreite Im]

Abb. 23

Nellmersieter Aullentief Station 0+915,5

Versuchsdatum 5.-7.9.1984

+ =1.4

\< h- '.0

EE=

E

3

AM

1 120 30

AuBentiefbreite [m]

Abb. 24

Netmersieler Autlentief Station 0+951,5

Versuchsdckum 5.-791984

Th.11,1 ; n. 1.5,2 1 bez. auf SOm Aunentiefbreite)

Kutter MEMMERT

L = 16,0 m

B = 4.22m

T = 0.9 m

Fahre BALTRUM m

Lo.a = 35,0 m

B = 7,0 m

T = 0,8 m

Faire BALTRUM E

lu.a.35,0 m

B = 7,0 m

T =0,6 m

MN,1X

IKA,-9 h = 0.9 m I AAT = 26.1 m2   '.0-% ::1,5-<3 €

/ f

X I

O 10 40 5020 30

AuBentiefbreite Im]

Abb. 25

E0.

f,

82

1 E.V C

'

\*/

! 1 1 1

40 50

19

l 4- 1.1 m

, AAT =301 m2

7

MeBpunkt 1

I ! 1

10 40 50

1

1

Die Küste, 44 (1986), 65-88

NNX

ft:   ZB-X

X

0

\

EE=E3

Nenmersieter Aut}entief Station 0+951,5Versuchsdatum 5.-7.9.1984

  =2,6 n=- I .8,9 (bez. auf SOm Aunentlefbreite)

h 0 2.1 m ; AAT =77,2 m2

10 20 30

Aullentiefbrelte [ml

Abb. 26

Net}mersieler Autientief Station 0+951,5

Versuchsdalum 5.-7.9.1984

14 n=AAI =3.5 (Ilez. auf 50m Auflentiefbreile)AM

NN  

'3 C h .1.0-1,1 m ; As =30,lm2 v

33 -

1. 10-Q.1 36* 3 Meepunkl

52 5332

0 10 20 30

Aueentiefbreite [ml

Abb. 27

Ne[imersieler Autlentief Station 0+951,5Versuchsdatum 5 -7.9,1984

- -1,1 i n =-A  = 3,0 { bez. auf 50 m Aunenliefbreile)

N 3-05-X -%. h = 03 m

.AIT =26,1 mz:

: J. -* e

.-

  1,F=33 MeepunkiI If=

*2,%30 10 20 30

Aunentiefbreite Im]

Abb. 28

Fahre BALTRUM I

Lu.a =45,7 m

LcwL . 43,7 m

B =12,0 m

T = 0,8 m

F8hre BALTRUM I

Loa =45,7 m

LIwL = 43,7 m

8 = 12,0 m

T .0,8 m

F hre BALTRUM I

4, a. 45.7 m

LIWL, 43,7 m

B = 12,0 m

T , 0.8 m

83

_lf7  t%/

MeBpunkt

40 50

1'T.,

E.

40 50

m9

(/

40 50

Die Küste, 44 (1986), 65-88

84

F/hrt Dat. Uhrz.

:i %:i"i  li E29 31.8.83 15.45

-4OV/VN

BEZ. VG{KNE YGIM/92 VSTIM/S  VWM/S) HCM) fl/TFlut = CVPX, 6:1#3 3. ,0

0.060 3.560 2.33 2.91Flut I CYPX, 1.050 3.120 2.47 3.09

Rt: :  :%: 4.685 2.1'10 -i:,e0 2.630 2.15 2.695.384 2.770 2.90 2-17 2.71

'.6 ' '.6

-*ft/*,4**0:*fli'# .-

2X/L

Abb. 29

Versuche 29.8.-1.9.1983 Ausfahrt Neamirsiel

MS "BALTRUM I'

n=   - 7.1

Falirt Dat Ulir..4 ig: :   11:%14

27 31.8.83 13.55

-:t ,-35. '.. -,i'. -.-*grA,w M ''.

.gfe

BEZ. VG(KN) VC(M/* YSTWA VW(M/Si t.(*J 9(&rt.: , i,5% s:,E I.,Ii 1:IE ,:,10 1.491.86Flit * CYPXy 2.789 1.430 -0.250 1.600 1.40 1.75·

i' 9.6 ' r.6, ' 1.,k,e 4741 ' 2.6 3.

- *02'r. iX/l7

4<+541-% Wi

Abb. 30

versuche 29.8.-1.9.1983 Einfahrt NeBmersiel

Ms 'IBALTRUM F

8- 682 = 12AM

Z

OV/#

9

Die Küste, 44 (1986), 65-88

85

versuche 29.8..1.9.1983 Einfahrt N/Bmersiel

MS IBALTRUM I"

.= 6L . 4.6AM

Fahrt Dat. Uhrz. 892.26 31.8.83 13.18

VCIKN) VG[M/SI VSTIM/S) VW(M/SV HEM) H/TFlut U CVPHI

313.032 1.560 0.240

1.9.83 13.551.3201.05 1.31

Flit CVPX1 2.Ng 1.1'50 0.250 ;.200 1.0  1* 33

/3

DV/VN

:

1,, , "-7 > ,,R P

4.50 -2.eO 4.50 0.50' ..6 ' .1 ' :1 .,

2,00g

2*50 3.00

2XA

5 2'l

9

0

Abb. 31

Verside 5.9.-7.9.1984 NeBmersiel

Mutter "MEMMERT"

n= AAE = 10.7AM

VT Fahri Dat. Uhrz. Be, VCIKNJ VGEM/S} virm/Gi VW<M/9, HfM/1.09 4 5.9.64 18.00 Ausfahrt Plut = CVPY 5.551 2.85/ 4.080 2.St 9.BBS1.43 B 5,9.84 18.50 Einfahrt Flut CVPY 6.821 3.509 0.025 3.484 f.%.1.43 16 6.9.84 12.10 Einfalirt Ebber , CVPY 5.777 2.972 -0.200 3.172 1.291

OV/VW

R

-2 9 ' -st" ' -, ,  ' --, "   '4$ '2B   #Zh." a < 7- ' 'e' ' 6- 462X/L

=

9

g

Abb. 32

Die Küste, 44 (1986), 65-88

86

Versuche 5.9.-7.9.1984 Ausfah/t NeBmersiel

pa rt % 2.= fAT Dat. Uhrz.

18 1.42  6.0 6. .84 Xm MS ,#A ;1 i  •liti„ 

,13-

-2.50 -2.00 .'."

=rie

4 0.6 4, 1, .'A 4,(t'.CA:A#L '.6 ' ,.6 ' '

3.5e

4 A AP-''

2X/L

t #lit

Abb. 33

In Abb. 34 sind diese Mittelwerte der axialen Ubergeschwindigkeiten alter Messungenaufgetragen. Es zeigt sich eine erwartete deutliche Zunahme der Ruckstromgeschwindigkeitmit geringer werdender n-Zahl. Die Fahrgeschwindigkeiten der Schiffe sind als Parameter

nicht erkennbar. Die gr6Bte mittlere Ubergeschwindigkeit liegt bei ca. 40 % der Schiffsge-schwindigkeit gegen Wasser fur n = 3.

Ahnlich verhalten sich die Maximalwerte der axialen Ubergeschwindigkeiten (Abb. 35).Die Zunahme mit geringer werdender n-Zabl ist aber bei diesen Wet·ten erheblich grd£er. Der

gr8Bte Wert liegt hier bei 110 % der Fahrgeschwindigkeit gegen Wasser. Der EinfluB der

Tidestrtimung auf die Ergebnisse ist durch den Bezug auf die Geschwindigkeit gegen Wasser

Vw eliminiert worden. Dadurch ergeben sich keine merklichen Differenzen bei Ein- und

Ausfahrt der Schiffe.

Nachdrucklich muB betont werden, daE diese Diagramme nur Gultigkeit besitzen fiir das

Nelimersieler Autientief. Erhebliche Anderungen in den Abmessungen des Azifientiefs kdn-

nen zu vallig anderen Kurvencharakteristiken fuliren. Eine Allgemeingultigkeit dieser n-

Ablidngigkeit ist nicht nachgewiesen worden. Aus diesem Grund wurde darauf verziclitet,beide dargestelken Kurven durch eine mathematische Funktion zu approximieren.

Die Messungen zeigten einwandfrei, dati in den selir kleinen Querschnitten des NeBmer-

sieler Aufientiefs durch die Verdringungsstrdmung infolge Fahrt gratierer Schiffe erhebliche

1Uickstromgeschwindigkeiten neben den Schiffen und - was gefolgert werden darf - auch

unter dem Schiffsboden entstehen. Dadurch wird das lose Bodenmaterial aufgewirbelt. Zu

welcher Verwirbelung des Sediments es dann durch Einwirkung des Schraubenstrahts kommt,konnte im Rahmen der bisherigen Untersuchungen nicht gekidrt werden. Es ist zu empfehlen,dieser Frage nachzugehen. Dabei mufite jedoch die MeBrechnik verandert werden.

Weiterhin ist zu empfehlen, die im NeEmersieler AuBentief durchgef hrten Messungenauch in anderen Autientiefs durchzufuhren, um die Allgemeingtiltigheit der Ergebnisse zu

uberprafen oder zu sichern. Eine zweidimensionale Messung sollte zukunftig angestrebtwerden.

BEZ. VGIKNI VC(N/51 VST[M/52 VWM/93 MMCYPY 3.563 1,033 -0.035 1.868 1.059CYPY 3.29 1.691, -0.)25 1.869 1.132

.

Dy/VW

:

2

r

Die Küste, 44 (1986), 65-88

21 1.0-

m8 -

$3

2/ F3*090,5-, 3 -

5  -

E =-.E 2

Mittlere oxiate Ubergeschwindigkeitenneben einem fahrenden Schiff

im Nelimersieter Aullentief

k.10

0 10 20

4*

.

.&1

i5

2,='

1.ME

.

a.

i -

  0,5-

.

L2

I30

Aunentiefquerschnittn e _AAL

Schiffshouptspent AM

Abb. 34

MS BALTRUM I  

MS BALTRUM m x

MS MEMMERT •

MS WESTERDIEK A

Maximatwerte der axialen Ubergeschwindigkeitenneben einem fahrenden Schiff

im Nenmersieler Aul}entief

MS BALTRUM I *

MS BALTRUM 2 x

MS MEMMERT •

MS WESTERDIEK 8

1 . 1 · · 10 30 40 50AunentiefquerschnittSchiffshaupkpent

Abb. 35

n.A

9. Symbolverzeichnis

AAT Querschnitt des AuBentiefs

AM Hauptspantfl che des SchiffesB SchiffsbreiteDV AV=u Zusatzgeschwindigkeit, Gbergeschwindigkeit, Riickstromgeschwindig-

keit (in axialer Richtung)Fn -

VFroude LDrigenzatil

B.L

87

A

/- I

40 50

.

" X

X

.

/

,

I.

0 1 j

0 10 2

=

Die Küste, 44 (1986), 65-88

VFnh =-

Vg.-hgh

L

La.aLwL

n=AAIAM

POt

T

U,V, W

V

VoVLVS,rVW, VW

X, X

Of

P

0

Ah

Ap

Froude Tiefenzaht

Gravitationskonstante

Wassertiefe

SchiffslangeLAnge des Schiffes iiber alles

Unge des Schiffes in der Wasserlinie

Quersclinittsverlialtnis, -zahl

AtmosphirendruckZeit

SchiffstiefgangKomponenten der S rgeschwindigkeitGeschwindigkeit allgemeinAnstrdmgeschwindigkeit, SchiffsgeschwindigkeitGeschwindigkeit gegeniiber Land

StrumungsgeschwindigkeitGeschwindigkeit gegen Wasser

LdngskoordinateWellen6ffnungswinkelspez. Masse

GeschwindigkeitspotentialWasseroberfldchenverformungDruck inderung

10. Schriftenverzeichnis

BINEK, H. u. MiDLLER, E.: Einzelfalirten von Scllubverbinden in Schiffalirtskan len. HANSA, Jg.113, H. 8,1976.

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FELKEL, K.: Die Problematik der Sohlenerosion des Oberrheins. Zeitschrift fur Binnenschiffalirtu. Wasserstrailen, Nr. 8, 1977.

Gaol.Lius, W.: Druckmessungen bei Schrdgschleppversuchen mit frei kidngendem Modell auf

begrenzter Wassertiefe. Schiff und Hafen, H. 6,1979.

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KN Ess, H. G.: Kriterien und Ansarze far die teclinische und wirtschaftliche Bemessung von

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M }LLER, E.: Untersuchung der Verformung der WasseroberBkhe durch die Verdringungsstrd-mung bei der Falirt eines Schiffes auf flachem Wasser. VBD-Mittebung Nr. 83, 1966.

MOLLER, E.: Untersuchung der Wasseroberfl clienverformung beim Begegnen zweier Schiffe imKanal. VBD-Mitteilung Nr. 101, Teil 2, 1969.

M#LLER, E. u. BINEK, H.: Systematische Modellversuche mir Scliubleichtervei·binden. Schiff und

Hafen, H. 11, 1976.

PLATE, U. u. KEIL, G. W.: Sediment-Transport in einem Seeschiffalirtskanal. Die Kiiste, H. 21,1971.

SCHALE, E.: Str6mungsmessungen in einem Stittwasserkanal trapezfdrmigen Querschnins. Schiff

und Hafen, Jg· 20, H. 4-9, 1968.SCHRODER, H. TH. U. HOFMANN, W.. Beanspruchung der B6schung eines Schiffahrtskanals. Schiff

und Hafen, Jg. 20, H. 4-9, 1968.

88

Die Küste, 44 (1986), 65-88