Schlüsselwort: Schlingerdämpfung

1 Einleitung und Übersicht Eine heutzutage übliche Schlingerdämpfungsanlage stellt der so genannte Frahm'sche Schlingerdämpfungstank dar, wie von Frahm [4] bereits im Jahre 1911 vorgeschlagen. Es handelt sich dabei um einen im Spantquerschnitt des Schiffes etwa u-förmigen Tank, wobei die sich darin befindliche Flüssigkeit (muß nicht unbedingt Wasser sein) durch die Rollbewegung des Schiffes zur Bewegung angeregt wird und nach dem Prinzip des Schwingungstilgers die Rollbewegung des Schiffs verringert. In Abbildung 1 ist ein Tank im Schiff dargestellt. Die Flüssigkeit im Tank ist blau eingefärbt und die darüber befindliche Luft ist rot dargestellt. Der obere Querkanal dient der freien Bewegung der durch die Flüssigkeit verdrängten Luft von einer Tankseite zur anderen. Die Auslegung solcher Tanks sowie Zubehör wird von der Firma INTERING aus Norderstedt angeboten. Die Wirkungsweise der Tanks ist aber gegenüber der von Frahm ursprünglich vorgestellten Form verfeinert worden, indem durch gesteuerte Absperreinrichtungen im Luftkanal ein gewisser Einfluss auf die Flüssigkeitsbewegung genommen werden kann. Wird die Luftströmung durch z. B. eine geschlossene Klappe verhindert, so kann sich auch die Flüssigkeit praktisch nicht mehr bewegen. Durch eine geschickte Steuerung der Klappe verbessern sich die Rolldämpfungseigen-schaften gegenüber einem Tank, bei dem sich die Flüssigkeit frei bewegen würde. In dieser Schrift werden ein Berechnungsverfahren und ein entsprechendes Programm beschrieben, womit insbesondere die Steuerung der Absperreinrichtungen erfasst werden kann. Das Programm erfasst einige Effekte, wie sie bei einfacheren Verfahren (z. B. [1]) nicht berücksichtigt werden. Dazu gehören u.a. das Anschlagen der Flüssigkeit an die Tankdecke, nicht parallele Wände in den Seiten des Tanks, unsymmetrische Tanks und realistische viskose Dämpfungseffekte. Das Programm kann seinen Einsatz bei der Nachrechnung von Versuchen und der Auslegung von Tanks finden. Der Anwendungsschwerpunkt soll jedoch die Verwendung in einem Simulationsprogramm zur Berechnung der Schiffsbewegungen im natürlichen Seegang sein. Damit kann die gängige Praxis zur Auslegung der Tanks überprüft bzw. verbessert werden, wobei bislang von stationär periodisch eingeschwungenen Bewegungsvorgängen für Schiff und Tank ausgegangen wird. Durch eine Zeitsimulationen von Schiff und Tank zusammen können außerdem nichtlineare Effekte der Wechselwirkung untersucht werden. Das hier beschriebene Berechnungsverfahren geht vereinfachend von einer eindimensionalen instationären Strömung entlang der Mittellinie des Tanks aus. Deshalb können natürlich keine Strömungsdetails beschrieben werden, wie z. B. gelegentlich auftretende brechende Wellen an der Flüssigkeitsoberfläche oder Ablösungsvorgänge an Einbauten. Diese können nur mit aufwändigeren Verfahren erfasst werden, siehe z. B. [2]. Diese Verfahren sind jedoch etwa um den Faktor 100 rechenzeitintensiver als das vorgestellte Verfahren und sind deshalb nicht geeignet um sie mit Seegangssimulationsprogrammen zu verbinden. Die Ergebnisse bei der Berechnung der nichtlinearen Wechselwirkung mit dem Schiff und der nichtharmonischen Flüssigkeitsbewegung im Tank schätze ich jedoch als bedeutender ein, verglichen mit den -sicherlich interessanten- Strömungsdetails aus RANSE-Berechnungen. Zähigkeitsbedingte Effekte werden in dem hier verwendeten Verfahren mittels stationärer Rohrdruckverlustzahlen erfasst, wie sie z. B. in [6] angegeben sind. Es wird die Strömung der Flüssigkeit und auch die der Luft über der Flüssigkeit behandelt. Zunächst werden die Grundgleichungen der Flüssigkeits- und Gasbewegung aufgeführt und das gewählte Diskretisierungsverfahren beschrieben. Es wird eine etwas umständlich erscheinende Herleitung gewählt, die so jedoch auf einfache Art Spielraum für Erweiterungen lässt. Ausführlich werden einige Beispiele behandelt, wobei Tanks mit vorgegebenen Bewegungen beaufschlagt werden oder das freie Hin- und Herschwappen der Flüssigkeit in Tanks berechnet wird. Die Ergebnisse werden mit Messungen verglichen.