Mit der Strömung

Strömungsverhalten bei optimiertem Schiffsdesign

© Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt (HSVA)


Eine möglichst hohe Zuladung bei möglichst geringer Tiefgangszunahme – so sieht für jeden Reeder das ideale Schiff aus. Das gelingt natürlich nur mit bestmöglicher Ausstattung und Design, das für einen effizienten Schiffsbetrieb entscheidend ist. Denn es beeinflusst das Strömungsverhalten eines Schiffes und bietet Einsparpotenzial, zum Beispiel beim Treibstoff.

Im Schiffbau wird die Form der Schiffe inzwischen überwiegend durch computeranimierte Strömungssimulationen optimiert, die langfristig die traditionellen Modellversuche im Schlepptank ersetzen. Mittels Computer lassen sich im Schiffbau bereits komplette dynamische Prozesse wie zum Beispiel das Rollverhalten eines Schiffes im Seegang simulieren. Der Computer erlaubt dabei genauen Einblick in die Strömungsverhältnisse und zeigt auf, was an der Form eines Schiffes verändert werden kann, um den Widerstand zu verringern.

Ein neuartiges Simulationsprogramm, mit dem sich Schiffsrümpfe aller Art ermitteln lassen, führt die Berechnung des Strömungsverhaltens sogar noch einen Schritt weiter. Das als „Simulation-driven Design“ bekannte Programm setzt auf dem bewährten Computer Aided Design (CAD) auf, ergänzt dieses aber mit der Methode Computational Fluid Dynamics (CFD), mit der sich Widerstand und Seegangs verhalten von Schiffen berechnen lässt. Schon bei der Veränderung eines einzelnen Parameters ändert sich der ganze Rumpf.

Schöne Nase

Zur Rumpfform gehört der Wulstbug. Die von den Schiffbau-Konstrukteuren imitierte Tropfenform aus der Natur sorgt für ein günstigeres Strömungsverhalten und trägt damit zur Wirtschaftlichkeit eines Schiffes bei. Das für einen Tiefgangsbereich optimierte Wulstbugdesign kann den Wasserwiderstand eines Schiffes um bis zu 10 % verringern, aber auch erhöhen, wenn der für den vorgesehenen Tiefgang ausgelegte Wulstbug eines Schiffes diesen nicht erreicht.

Ist die Umströmung des Schiffskörpers ohne Propeller schon sehr komplex, so wird dies bei Einbeziehung des Propellerdesigns und der Ruderanlage noch verstärkt. Letztere ist besonders abhängig von der auf das Ruder treffenden Wasserströmung: Bei einem langsam fahrenden Schiff und dementsprechend geringerer Anströmung des Ruders, ist dessen Steuerwirkung geringer als bei einem schnell fahrenden Schiff. Die derzeit im Schiffbau gebräuchliche Ruderform ist das stromlinienförmige Halbschweberuder, dessen Vorderkante mit dem Rumpf verbunden ist. Für große Containerschiffe ist dagegen das Vollschweberuder die Zukunft. Denn es hat einen geringeren Strömungswiderstand und reduziert die Kavitation.

Kavitation (lat. cavitare „aushöhlen“) ist eine Hohlraumbildung in sehr rasch strömenden Flüssigkeiten. Diese tritt auch am Propeller auf, denn die Spitzen der Schiffschrauben gleiten mit bis zu 45 m/sec (entspricht ungefähr 160 km/h) durchs Wasser. Die dabei entstehenden starken Unterdrücke sorgen dafür, dass sich im Wasser Luftblasen bilden, die dann abrupt in sich zusammenstürzen. Die dabei freigesetzte Energie kann auf lange Sicht sogar zu Löchern an der Propelleroberfläche führen. Bei den Containerriesen wird ein Einzelpropeller aufgrund des breiten Rumpfes dieser Schiffe sogar noch ungünstiger angeströmt: Das Wasser strömt stärker um das Heck und löst dadurch Turbulenzen aus, die zusätzlich den Wirkungsgrad des Propellers beeinträchtigen. Hier empfiehlt sich daher ein Doppelpropeller-Antrieb, um die Kraft im Wasser besser umzusetzen, ohne mehr Treibstoff zu verbrauchen. Für den einzelnen Propeller ist übrigens eine gleichmäßige Anströmung unter dem Rumpf nicht einmal die ideale Kombination.

Versuche haben gezeigt, dass oftmals eine asymmetrische Anströmung effizienter wäre, da diese im Wasser an den Flügelspitzen zu geringerem Drall und dadurch zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Häufig arbeiten Schiffbauer auch mit strömungsbeeinflussenden Anbauten wie Anströmdüsen oder Leitblechen, Costa-Birnen (horizontale, tropfenförmige Verdickung des Ruders im Propellerstrahl) oder Grimmschen Leiträdern (antriebsloser, gegenläufiger Propeller) und aktuell mit optimierten Hinterschiffsformen.

Glatter Anstrich

Das optimierte Design eines Schiffes verbessert also die Hydrodynamik und hilft durch geringen Reibungswiderstand Treibstoff zu sparen. Doch auch der richtige Schiffsanstrich beeinflusst das Strömungsverhalten am Rumpf. Sehr glatte, mit einem Antifoulingmittel versehene Silikonfarben für den Schiffsrumpf verhindern, dass sich Seepocken und Algen am Rumpf festsetzen und mittel- bis langfristig den Widerstand erhöhen. Auch so genannte Eisfarben für Schiffe, die im Polareinsatz unterwegs sind, können den Schutz erhöhen und gleichzeitig den Widerstand verringern. Zahlreiche Schiffe der Hansa Mare-Flotte sind bereits mit diesem Anstrich versehen worden.

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