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TU Berlin

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"Aerodynamische Analyse zur Optimierung moderner Yachtriggs"

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Einleitung

Ziel des Forschungsvorhabens ist eine Verbesserung der Entwurfs-, Prognose- und Optimierungswerkzeuge für moderne Yachtriggs. Hierfür sind Untersuchungen der realen Verhältnisse der Segelumströmung sowie eine systematische Betrachtung der Trimmparameter und des dynamischen Verhaltens der Segel dringend notwendig. Am Beispiel eines modernen Yachtriggs werden die komplexen aerodynamischen Grundlagen des Segelns erforscht. Dazu wird der Zusammenhang zwischen der Segelgeometrie und den aerodynamischen Kräften, zunächst für stationäre bzw. quasistationäre Zustände analysiert. Anschließend werden die dynamischen Effekte - hervorgerufen durch instationäre Strömungsverhältnisse - näher untersucht.

In einem ersten Abschnitt des Projekts werden Versuche in der Großausführung durchgeführt. Dazu steht eine speziell für derartige Untersuchungen entwickelte Forschungsyacht zur Verfügung. In systematischen Messfahrten werden die aerodynamischen Kräfte während des Segelns unter besonderer Berücksichtigung dynamischer Prozesse gemessen und relevante Zustandsgrößen für eine nachgeschaltete Systemidentifikation erfasst.

In einem zweiten Abschnitt werden Modellversuche im Windkanal mit realitätsnahen Anströmbedingungen realisiert. Die kontrollierten Versuchsbedingungen im Windkanal sind Voraussetzung für die Analyse von Strömungsdetails bei systematischer Rigg- und Segelvariation.

Ergebnis der Arbeiten wird ein mathematisches Modell der Segelaerodynamik sein, auf dessen Grundlage eine genauere Segelleistungsprognose und eine verbesserte Bewertung der Qualität von Rigg und Segeln möglich sind. Eine Anwendung der Erkenntnisse im Yachtentwurf wird die Wettbewerbsfähigkeit der Deutschen Bootsbaubranche im internationalen Vergleich stärken.

Antragsteller:
Prof. Dr.-Ing. Günther Clauss

Wissenschaftliche Bearbeitung:
Dipl.-Ing. Bernhard Krüger
Dipl.-Ing. Wolfgang Heisen

Zeitplanung
Die Laufzeit des Projekts beträgt zunächst zwei Jahre.

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Stand der Forschung


Die Fortbewegung eines Segelschiffs ist das Ergebnis eines komplexen Zusammenwirkens aus aero- und hydrodynamischen Kräften und Momenten. Rigg und Segel bewegen sich in einer Luftströmung, während der Rumpf und seine Anhänge von einer Wasserströmung umgeben sind. Der Rumpf befindet sich dabei an der Wasseroberfläche in einem Grenzgebiet zwischen zwei Medien. Die vom Schiff ausgeführte Bewegung ist im allgemeinen weder nach Betrag noch Richtung gleichförmig. Mit der Besegelung werden aus dem Wind aerodynamische Kräfte erzeugt, aus denen der Vortrieb des Schiffs resultiert, während die hydrodynamischen Kräfte des Rumpfes und seiner Unterwasseranhänge Kiel und Ruder diesen entgegenwirken. Aerodynamische und hydrodynamische Kräfte stehen bei einer Segelyacht also in unmittelbarem Zusammenhang. Zur Beschreibung und zum Verständnis dieses in der Regel instationären Bewegungszustandes sind deshalb tiefgreifende Kenntnisse auf den Gebieten der Aerodynamik sowie Hydrostatik und Hydrodynamik notwendig.

Stets war es ein Bedürfnis, die Segelleistung von Segelyachten zu erhöhen. Grundlage hierfür ist die Erforschung der zugehörigen physikalischen Zusammenhänge und Einflussgrößen. Geeignete Untersuchungsmethoden sind Modellversuche sowie Versuche mit Großausführungen, d. h. Segelschiffe im Maßstab 1:1. Darüber hinaus werden theoretische Analysen mit unterschiedlichen Berechnungsansätzen durchgeführt. In jüngerer Zeit werden z. B. im Zusammenhang mit prestigeträchtigen Segelregatten erhebliche Anstrengungen zur Optimierung der Segelleistung moderner Hochleistungsyachten unternommen. Die Untersuchungsmethoden werden immer differenzierter, numerische Berechnungsverfahren gewinnen zunehmend an Bedeutung.

In den veröffentlichten Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Segelleistung von Yachten befassen sich die meisten Wissenschaftler mit der Hydrodynamik. Die in diesem Bereich erzielten Leistungen erstrecken sich bis zu detaillierten Ansätzen zur Optimierung der Rumpfform und der Unterwasseranhänge, während auf dem Gebiet der Aerodynamik von Yachtriggs und -segeln noch vielfältige grundlegende Fragen offen sind: Die Strömungsverhältnisse in einem Yachtrigg wie die gegenseitige Beeinflussung der Segel untereinander sowie die Einzelanteile der Segel an der aerodynamischen Gesamtkraft sind weitgehend unbekannt. Meist werden die erzielten aerodynamischen Kräfte als Ergebnis eines gemeinsam wirkenden Tragflügels betrachtet. Hierbei werden Erkenntnisse aus der Luftfahrt übertragen, obwohl die Strömungsverhältnisse von Yachtriggs viele abweichende Besonderheiten aufweisen. Dazu gehören die spezielle Anordnung der Segel zueinander, sowie die Tatsache, dass es sich bei Segeln um dünnwandige, einseitige Profile handelt. Ein nicht zu vernachlässigender Effekt ist der Windgradient: Die Windgeschwindigkeit bildet durch Reibung an der Wasseroberfläche ein Grenzschichtprofil aus, in welchem die Segel sich permanent befinden. Zusätzlich treten beim Segeln ausgeprägte dynamische Effekte auf. Bereits der natürliche Wind ist nach Stärke und Richtung veränderlich. Darüber hinaus verursachen die Bewegungen eines Schiffs aufgrund von Seegang eine in hohem Maße instationäre Luftumströmung. Unter diesem Einfluss verhält sich die Geometrie der Segel variabel, da die Segel kein starres Profil darstellen. Die Einstellbarkeit der Segel mittels Trimmparameter und der Einfluss des Trimms sind vor diesem Hintergrund nur unzureichend ergründet. Da die aerodynamischen Kräfte bei Segelschiffen nicht ohne weiteres, und auch heute lediglich mit erheblichem experimentellem Aufwand, zu messen sind, gelangte man zunächst nur über Umwege zur Bestimmung von Segelkräften.

Die Grundlage zur Analyse der Fahrtleistung von Segelyachten schuf Davidson (1936). Er veröffentlichte einen Bericht, in dem er ein Verfahren zur Bestimmung der Segelleistung einer Yacht aus einer Kombination von Großausführungsversuchen und Modellversuchsergebnissen beschreibt. Die bei Versuchsfahrten mit einer Segelyacht gemessenen Segelzustandsparameter (Geschwindigkeit und Krängung) werden in Schleppversuchen mit einem verkleinerten Modell der Yacht nachgebildet. Bei den Schleppversuchen werden Widerstands- und Seitenkräfte gemessen. Durch Korrelation der Ergebnisse können die zugehörigen Segelkräfte für die Großausführung bestimmt werden. Aus diesen Untersuchungen entstammen die bekannten Gimcrack1 -Koeffizienten.

Einen ähnlichen Ansatz der Kombination von Daten aus Modellversuch und Großausführung wählen Kervin, Oppenheim und Mays (1974). In Schleppversuchen mit einem Modell werden wiederum die hydrodynamischen Kräfte des Rumpfes ermittelt. Die Segelleistungsdaten der Großausführung werden aus Logbuchaufzeichnungen der Segelyacht BAY BEA während einer Hochseeregatta mit detaillierten Angaben zu Position und Segelzustand (Geschwindigkeit, Kurswinkel zum Wind, Krängung, Besegelung etc.) sowie der zugehörigen Wetterbedingungen gewonnen. Rückwirkend können die Segelkoeffizienten ermittelt werden. In beiden Untersuchungen wird die Schwierigkeit der Bestimmung von Segelkräften für die Großausführung deutlich.

Eine andere Vorgehensweise ist die direkte experimentelle Bestimmung der Segelkräfte im Modellversuch mit Riggs und Segeln im Windkanal.Marchaj (1991) führt ausführliche Untersuchungen bei stationärer Windströmung am Finn-Dingi-Rigg, einem unverstagten Mast mit einem einzelnen Großsegel durch. Neben der Bestimmung der Segelkoeffizienten führt er dabei auch Untersuchungen der Strömungsverhältnisse durch. Er zeigt, dass bei vorgegebenem Segelumriss durch Bedienung der vorhandenen Trimmvorrichtungen starke Veränderungen an der Segelprofilgeometrie vorgenommen werden können. Dies wiederum hat erheblichen Einfluss auf die Segelumströmung und folglich auf die vom Segel erzeugten Kräfte.

Claughton und Campbell (1994) diskutieren Möglichkeiten und Grenzen von Windkanalversuchen zur Untersuchung von Yachtriggs. Sie heben hervor, dass mit Modellversuchen trotz der notwendigen Korrekturen bei der Übertragung der Ergebnisse auf die Großausführung wertvolle Einsichten zur Auslegung des Segelplans oder Optimierung des Segeltrimms erzielt werden können.

Bei den unterschiedlichen Windeinfallswinkeln, die im Kursspektrum einer Segelyacht auftreten, herrschen völlig ungleiche Strömungsbedingungen. Auf raumen und Vor-dem-Wind Kursen werden zusätzlich sehr bauchige Segel zur Vergrößerung der Segelfläche gefahren. Ranzenbach, Andersson und Flynn (1999) führen im Zusammenhang mit der 1997/1998er Auflage des "Whitbread Round the World RaceTM"2 ein Versuchsprogramm mit Vorwind Segeln im Windkanal durch. Die Ergebnisse der Untersuchungen fließen unmittelbar in die Auswahl der für die Regatta verwendeten Segelgarderobe ein.


Das dynamische Krängungsverhalten aufgrund von Böen untersucht Deakin (1991) im Windkanal an in einem Becken schwimmend gelagerten Yachtmodellen. Mit einer besonderen Vorrichtung wird die Erzeugung von stoßartigen Böen im Windkanal realisiert. Die Ergebnisse dienen der Ableitung von Stabilitätskriterien für Segelyachten.

Dynamische Strömungseffekte untersucht Marchaj (1996). Ergebnisse aus Modellversuchen mit NACA3 -Profilen zeigen, dass mit zügigen, periodischen Winkeländerungen des Profils zur Anströmung - wie beim sog. Pumpen - eine deutliche Steigerung des Auftriebsbeiwertes erzielt werden kann. Weiterhin zeigt er, dass sich der Widerstand eines Tragflügels bei oszillierender Anströmrichtung mit hinreichend großer Amplitude drastisch verringert oder sogar kurzzeitig negative Werte annimmt. Damit weist er auf die Bedeutung des Katzmayr-Effekts für die Segelaerodynamik hin. Es wird jedoch betont, dass die beobachteten Effekte durch Großausführungsversuche bestätigt werden müssen.

Eine andere Möglichkeit zur Ermittlung der Segelbeiwerte besteht in der analytischen Bestimmung im Rahmen bestehender aerodynamischer Theorien. Milgram (1968, 1971) untersucht mit Hilfe der Tragflächentheorie die Abhängigkeit der Segelkraftbeiwerte von geometrischen Parametern. Er liefert systematische Ergebnisse für Variationen in der Aufteilung der Segelfläche auf Groß- und Vorsegel und des Streckungsverhältnisses der Segel. Seine Berechnungen mit einer Panelmethode gehören zu den ersten numerischen Strömungssimulationen im Bereich der Segelaerodynamik.

Mit Hilfe numerischer Simulationsmethoden ist neben der Bestimmung der aerodynamischen Gesamtkräfte insbesondere die Analyse lokaler Strömungsphänomene möglich. Day (1991) untersucht unter Anwendung der Traglinientheorie den Einfluss des Windgradienten auf die Auftriebsverteilung am Segel. Er stellt fest, dass der Windgradient, insbesondere vor dem Wind, die Segelleistung maßgeblich beeinflusst und zeigt den negativen Einfluss eines Spalts unter den Segeln.

Mit einem Ansatz der Tragflügeltheorie analysieren Boote und Caponetto (1991) die aerodynamischen Lasten mit dem Ziel der Bestimmung verlässlicher Lastannahmen für die Riggauslegung. Trotz vielversprechender Ergebnisse räumen sie einen großen Unsicherheitsfaktor ein und empfehlen, die Untersuchungen mit weiterentwickelten numerischen Verfahren weiterzuführen.

Fiddes und Gaydon (1996) führen Berechnungen für die Segelumströmung einer Vorsegel-Großsegel-Kombination mit einem Wirbelgitterverfahren durch. Sie erzielen aussagekräftige Ergebnisse zur Druckverteilung an den Segeln. Vergleiche mit viskosen Berechnungen mit einem RANSE 4 -Löser, die zu diesem Zeitpunkt nur für stark vereinfachte Geometrien gelingen, offenbaren jedoch Unzulänglichkeiten des eingesetzten Verfahrens, die aus der Vernachlässigung der Reibung resultieren.

Der Fragestellung, welche Form des Segels sich unter aerodynamischen Lasten einstellt und welchen rückwirkenden Einfluss die veränderte Form auf die Aerodynamik hat, widmen sich Fukasawa und Katori (1993). Dazu wird ein Verfahren entwickelt, das die zwei unterschiedlichen physikalischen Probleme der Aerodynamik und der Strukturdynamik numerisch berechnet und deren Lösungen koppelt. Als Ansatz für die Aerodynamik verwenden die Autoren ein Wirbelgitterverfahren. Bessert (1999) befasst sich ebenfalls mit der aeroelastischen Kopplung, insbesondere für instationäre Bedingungen. Er verwendet jedoch zur Lösung des aerodynamischen Problems die Quasi-Continuous-Methode. Beide Arbeiten erzielen unter Verwendung potentialtheoretischer Strömungsansätze Aussagen über den Einfluss der Flexibilität der Segel auf die Aerodynamik in stationärer bzw. instationärer Strömung. Die Autoren empfehlen eine Überprüfung der Ergebnisse durch Großausführungsversuche sowie eine Weiterentwicklung der aerodynamischen Analyse mit Hilfe viskoser Strömungslöser.

Eine Parameterstudie zur Berechnung reibungsbehafteter Strömung mit Ablösung unternimmt Lasher (1999) mit einem RANSE-Lösungsverfahren. Berechnungen für abgelöste Strömung sind durchführbar; für die Qualität der Ergebnisse ist allerdings die geschickte Wahl numerischer Parameter von entscheidender Bedeutung. Zukünftige Fortschritte werden von der Weiterentwicklung der numerischen Lösungsalgorithmen und der Turbulenzmodellierung erwartet.Eine dreidimensionale Berechnung des Strömungsbildes mit realitätsgetreu modellierter Segel- und Mastgeometrie einer IACC5 -Yacht für Am-Wind und Vor-dem-Wind Kurse unternehmen Caponetto et al (1999). Die Berechnungen benötigen enorme Rechenkapazitäten. Die Ergebnisse bieten detaillierte Einsichten in das Strömungsverhalten: So ermöglicht die Berücksichtigung von Reibung und Turbulenz die Vorhersage von Strömungsablösungen. Die Methode wird als wertvolle Ergänzung zu experimentellen Untersuchungsmethoden beurteilt, allerdings ist die Genauigkeit der Ergebnisse noch eingeschränkt.

Für den Entwurf neuer Yachten ist die theoretische Vorhersage der zu erwartenden Segelleistung von Interesse. Die Prognose der Segelleistung von Segelschiffen ist mit Hilfe sogenannter Velocity Prediction Programs (VPP) möglich. In einem solchen Programm werden für unterschiedliche Segelszenarien Gleichgewichtszustände für die aerodynamischen und hydrodynamischen Kräfte ermittelt. Auf der aerodynamischen Seite werden aus den Beiwerten für Auftrieb und Widerstand die Segelkräfte und mit dem Kraftangriffsschwerpunkt die resultierenden Momente ermittelt. Voraussetzung für eine zuverlässige Prognose ist die korrekte Bestimmung der Segelkraftbeiwerte und des Kraftschwerpunktes.

Hazen (1980) beschreibt die Grundzüge eines mathematischen Modells für die Bestimmung der aerodynamischen Kräfte in einem VP Programm. Nach Eingabe von charakteristischen geometrischen Größen des Segelplans werden die Beiwerte und daraus die Kräfte für alle Kurswinkel und Windstärken ermittelt. Durch Variation zweier Parameter, nämlich Reef (= Reffen) und Flat (= Flachtrimmen) enthält das Modell die Möglichkeit, den auf die äußeren Bedingungen angepassten optimalen Segeltrimm zu ermitteln.

Milgram (1993) beschreibt den Nutzen eines VPP im Entwicklungsprozess einer IACC-Yacht. Das verwendete VPP ist sehr speziell auf diesen Schiffstyp zugeschnitten. Die Übertragbarkeit auf andere Bootstypen ist nicht ohne weiteres möglich. Dafür müssten die aero- und hydrodynamischen Modelle angepasst werden.

Jackson (2001) erweitert das aerodynamische Modell für Am-Wind Segelzustände um einen sog. Twist-Parameter. Dieser trägt dem Zustand Rechnung, dass ein Segel bei stärkerem Wind im oberen Bereich verdreht wird - man spricht auch vom "Öffnen" eines Segels. Dadurch wandert der Kraftangriffsschwerpunkt weiter nach unten und das krängende Moment verringert sich. Die zusätzlich auftretenden Veränderungen der aerodynamischen Größen Auftrieb und Widerstand werden ebenfalls berücksichtigt. Das Modell zeigt gute Übereinstimmungen mit Ergebnissen aus Modellversuchen im Windkanal, insbesondere für ein einzelnes Großsegel. Verbesserungen des Modells für Slupriggs (Groß- und Vorsegel) und die Untersuchung weiterer Einflüsse einer realen Segelanordnung wie z. B. der Spaltgröße zwischen den Segeln und dem Deck sind nötig.

VPPs werden nicht nur als Hilfsmittel zur Beurteilung des Segelleistungsvermögens von Neuentwürfen verwendet, sondern bilden auch einen Bestandteil von Vermessungssystemen. Das zur Zeit im Hochseesegeln etablierte International Measurement System (IMS) verwendet eine derartige Leistungsvorhersage, um danach die Einstufung des Rennwertes von Yachten vorzunehmen (Claughton (1999)). Eine absolut präzise Bestimmung des Segelleistungsvermögens wäre die Voraussetzung für eine gerechte Einstufung der Yachten. Da jedoch nur unzureichende Kenntnisse der aerodynamischen Grundlagen vorhanden sind, kommt es hier in der Folge von falschen Rennwert-Einstufungen zu umstrittenen Regattaergebnissen.

Für die Weiterentwicklung der aero- bzw. hydrodynamischen Modelle für VPPs werden Ergebnisse aus den verschiedenen Untersuchungsmethoden - Theorie, Modellversuche und numerische Simulation - herangezogen. Milgram (1998) gibt einen Überblick über bestehende Verfahren und betont, dass die Qualität der Ergebnisse eines VPP abhängig ist von der Genauigkeit der Modellierung der aero- und hydrodynamischen Kräfte und der in den Modellen verwendeten Koeffizienten. Eine Validierung der Ergebnisse ist nur mit Hilfe von Großausführungsversuchen möglich, in denen alle natürlichen Parameter ohne möglicherweise verfälschende Maßstabseffekte auftreten.

Großausführungsversuche zur Bestimmung von Segelkräften sind allerdings recht aufwendig, weil dafür ein spezielles Schiff, ausgestattet mit entsprechender Messtechnik, notwendig ist. So sind hier weltweit neben dem am Institut für Schiffs- und Meerestechnik vorhandenen Segeldynamometer nur zwei ähnliche Konstruktionen realisiert worden, mit denen Großausführungsversuche zur messtechnischen Bestimmung von Segelkräften durchgeführt wurden.

Eine davon befindet sich am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA. Kirschmer Klein (1990) führt einen Vergleich zwischen gemessenen und mit einem Wirbelgitterverfahren berechneten Segelkräften durch. Die Versuche werden für Hoch-Am-Wind mit zeitlich gemittelten Kräften, also für stationäre Verhältnisse, durchgeführt. Freides (1991) entwickelt ein Verfahren zur optischen Vermessung der Segelform während des Segelns mittels Videoaufnahmen von außen. Das Verfahren ermöglicht die Aufnahme und Auswertung der Segelgeometrie und eine Korrelation mit den gleichzeitig gemessenen Riggkräften des Messbootes. Die Videoaufnahmen werden von einem zweiten Boot aus vorgenommen, das zum Festhalten eines definierten Segelzustandes bis zu acht festgelegte Positionen zum Messboot einnimmt. Peters(1992) verwendet das Segeldynamometer des MIT für Rigguntersuchungen eines auf 42% der Originalgröße reduzierten IACC-Riggs. Neben den Kraftmessungen werden vergleichende Untersuchungen mit einem CFD6 -Verfahren vorgenommen.

Ein weiteres Segeldynamometer existiert am Kanazawa Institute of Technology in Japan. Masuyama und Fukasawa (1997) führen Fahrten zur Messung der Segelkräfte durch. Gleichzeitig nehmen sie die Segelgeometrie mit fünf an Bord befindlichen Digitalkameras auf. So wird der Zusammenhang zwischen Segelgeometrie und -kräften für stationäre Verhältnisse untersucht. Zusätzlich werden unter exakter Vorgabe der Segelgeometrie Vergleichsrechnungen mit einem Wirbelgitterverfahren für stationäre Anströmung durchgeführt.

Die Durchführung von Untersuchungen zur instationären Segelaerodynamik ist im Großausführungsversuch noch nicht durchgeführt worden. Die Durchführung von vergleichbaren Modellversuchen, deren Ergebnisse anhand der Großausführungsversuche verifiziert werden, ist dringend zu empfehlen, um den Aufwand für zukünftige Untersuchungen zu reduzieren. Aus dem gleichen Grund sind numerische Berechnungen unter Vorgabe realistischer Anströmverhältnisse und Segelgeometrie von Interesse. Die Kenntnis instationärer aerodynamischer Phänomene und insbesondere der auftretenden dynamischen Lastspitzen ist für die Optimierung von Segel- und Riggentwürfen zur Steigerung der Segelleistung von grundlegender Bedeutung. Die Qualität der Leistungsprognose mittels VPP lässt sich durch Einführung zusätzlicher leistungsrelevanter Parameter bei genauer Kenntnis der Segelgeometrie erheblich verbessern.

1 Name der Segelyacht von 1936; 2 Heute: Volvo Ocean Race.; 3 NACA: National Advisory Committee for Aeronautics - systematische Profilfamilien; 4 RANSE: Reynolds Averaged Navier Stokes Equations; 5 IACC: International America's Cup Class. Mit diesen Booten wird heutzutage der America's Cup, die älteste und renommierteste Regatta der Welt, ausgetragen.; 6 CFD: Computational Fluid Dynamics - numerische Strömungssimulation;

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Eigene Vorarbeiten

Am Institut für Schiffs- und Meerestechnik (ISM) der TU-Berlin wird schon seit vielen Jahren wissenschaftlich auf den Gebieten der Segelleistungsbestimmung und des Yachtbaus gearbeitet. Es liegen umfangreiche Erfahrungen in der Anwendung bzw. Durchführung der für das beantragte Projekt vorgesehenen wissenschaftlichen Methoden vor: Großausführungsversuche, Modellversuche sowie numerische Strömungssimulation. Mit Bezug auf das beantragte Projekt sind folgende Arbeiten von besonderem Interesse:

Brandt Home, Hoheisel und Hochkirch Home (1994) führen Segelleistungsversuche mit einem Nachbau der historischen Hansekogge aus dem Jahr 1380 durch. Hier werden Erfahrungen in der messtechnischen Ausrüstung eines Schiffs für die Bestimmung der Segelleistung sowie in der Durchführung von Großausführungsversuchen und deren Auswertung gesammelt.

Mit Wirkungsgraduntersuchungen an mehreren Kielformen leisten Brandt und Krüger Home (1997) einen Beitrag zur Erforschung des Einflusses von Kielen auf die Segelleistung einer Yacht. Die Modellversuche mit Kielmodellen im Maßstab 1:5 werden unter Einhaltung Reynolds'scher Ähnlichkeit im Kavitationstank durchgeführt. Mit Hilfe einer Sechskomponentenwaage werden die Kräfte für unterschiedliche Segelzustände ermittelt und daraus die Widerstands- und Auftriebsbeiwerte sowie schließlich die Gütegrade errechnet.

Voges (1994) führt Versuche zur instationären Anströmung eines Profils durch. Er untersucht ein kielähnliches Profil bei oszillierender Bewegung in der Schlepprinne. Dabei stellt er fest, dass sich aufgrund dieser oszillierenden Bewegung auch eine Vortriebskomponente am Profil ergibt.

Im Rahmen eines vierjährigen Forschungsprojektes ist ein Segeldynamometer - die Forschungs-Segelyacht DYNA - entwickelt worden (Brandt und Hochkirch (1997, 1998a, 1999a, 1999b)). Hierbei handelt es sich um ein Messgerät zur Bestimmung der aero- und hydrodynamischen Kräfte während des Segelns unter realen Bedingungen. Das Messgerät besteht aus einer modernen 10 m Segelyacht, bei der das Rigg auf einem von Matzig (1997) entworfenen, starren Riggträger gelagert ist, welcher über sechs Kraftaufnehmer statisch bestimmt mit dem Rumpf verbunden ist. Der Riggträger bildet somit eine Sechs-Komponentenwaage zur Bestimmung der Riggkräfte. Ähnliche Vorrichtungen sind ebenfalls zur Bestimmung der auf Kiel und Ruder wirkenden Kräfte vorhanden. Die in diesem Projekt am ISM erbrachten Leistungen umfassen sämtliche Arbeiten von der Auslegung des Segeldynamometers, über die komplette messtechnische Ausrüstung, bis zur Durchführung und Auswertung von Großausführungsversuchen. Die Kalibrierung des Messsystems für die Untersuchungen beschreibt Bischof (1999).

Das Segeldynamometer soll die Grundlage für die Großausführungsversuche in dem hier beantragten Projekt bilden. Die vorhandene Sechs-Komponenten-Riggwaage bildet dabei das Kernstück für die geplanten aerodynamischen Untersuchungen. Mit der Messung der Riggkräfte ist eine Bestimmung der aerodynamischen Kraftbeiwerte und somit eine Leistungsbestimmung für die zu untersuchenden Segelzustände möglich. Eine kurze Beschreibung des Systems Segeldynamometer findet sich im Anhang. Detailliertere Informationen können neben der bereits in diesem Zusammenhang erwähnten Literatur auch den Veröffentlichungen von Brandt (1996), Hochkirch (1997, 2000), Brandt und Hochkirch (1998b) sowie Hochkirch und Brandt (1999a, 1999b, 2000) entnommen werden.

In Verbindung mit dem o.g. Projekt wird bei Hochkirch und Brandt (2000) ein VPP (Velocity Prediction Program) zur Bestimmung der Segelleistung der Segelyacht DYNA entwickelt. Durch den modularen Aufbau des Programms können die mathematischen Modelle für die aero- bzw. hydrodynamischen Kräfte sehr flexibel ausgetauscht werden. Aufgrund der Ausrichtung dieses vorangegangenen Projekts auf hydrodynamische Untersuchungen kann das hydrodynamische Modell als ausgereift angesehen werden. Hingegen besteht noch dringend Forschungsbedarf für die Modellierung der aerodynamischen Kräfte; dazu sind grundlegende Untersuchungen der Aerodynamik erforderlich.

Die numerische Berechnung eines turbulenten, viskosen Strömungsproblems führt Krüger (1998) durch. Er berechnet die Umströmung eines Jollenrumpfes mit Hilfe eines CFD-Codes, der unter Ver-wendung der RANS-Gleichungen die dreidimensionale Strömung vollständig viskos simuliert. Bei seinen Untersuchungen stößt er an Grenzen des Verfahrens zur Berechnung der verformten, freien Wasseroberfläche. Unter Vernachlässigung des Wellenbildes, erzielt er mit dem verwendeten Verfahren stabile Lösungen des Strömungsproblems.

Ein Verfahren zur Optimierung des Yachtentwurfs entwickeln Harries Home, Abt und Hochkirch (2001). Es setzt sich zusammen aus einer von Harries und Abt (1999) entwickelten Geometriemodellierung aus vorgegebenen Formparametern. Nachdem der Entwurf einer CFD-Analyse unterzogen wird, schließen sich eine Entwurfsbewertung und nachfolgend eine formale Optimierung an, um weitere Iterationen zu durchlaufen. Dieser Prozess ist als ein vollautomatisierter Optimierungsablauf zu betrachten, und lässt sich zum Entwurf von Segelyachten mit verbessertem Segelleistungsvermögen einsetzen. Zur Weiterentwicklung des Verfahrens für den Segelentwurf müssen die aerodynamischen Grundlagen moderner Yachtriggs weiter erforscht werden.

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Ziele

Ziel des Forschungsvorhabens ist eine Verbesserung der Entwurfs- und Prognosewerkzeuge für moderne Yachtriggs. Hierfür sind Untersuchungen der realen Verhältnisse der Segelumströmung, sowie eine systematische Betrachtung der vielfältigen Trimmparameter und des dynamischen Verhaltens der Segel dringend notwendig.

Am Beispiel eines modernen Yachtriggs werden die komplexen aerodynamischen Grundlagen des Segelns einschließlich instationärer Prozesse erforscht. Ergebnis wird ein mathematisches Modell der Segelaerodynamik sein, auf dessen Grundlage eine genauere Segelleistungsprognose und eine verbesserte Bewertung der Qualität von Rigg und Segeln möglich sind. Dazu muss zunächst der Zusammenhang zwischen der Segelgeometrie und den aerodynamischen Kräften für stationäre bzw. quasistationäre Zustände näher analysiert werden. Darauf aufbauend werden dynamische Effekte untersucht, die durch instationäre Strömungsverhältnisse verursacht werden. Diese resultieren zum einen aus der zeitlichen und örtlichen Veränderlichkeit des natürlichen Windes, zum anderen aus den Bewegungsreaktionen des Segelschiffes (Krängung, Beschleunigung, Kursänderung). Darüber hinaus entstehen durch Seegang hochgradig instationäre Bedingungen.

Zur Aufstellung eines verbesserten aerodynamischen Modells müssen die folgenden Teilprobleme gelöst werden:

Identifizierung der Parameter, die einen entscheidenden Einfluss auf die Aerodynamik und damit auf die Segelleistung haben. Darunter fallen Charakteristika der Rigg- und Segelgeometrie (z.B. Segelfläche, Profilgeometrie, Winkelverlauf der Profilsehnen über die Höhe (Twist)) und äußere Einflussgrößen (z.B. einfallender Windwinkel, Anströmgeschwindigkeit, Bewegung des Schiffs durch Seegang). Diese sind als zeitlich veränderliche Größen zu modellieren.
Quantifizierung der Parameter und ihrer Zusammenhänge im aerodynamischen Modell.
Test und Validierung des Modells mittels experimenteller Segelleistungsdaten.
Die Zusammenhänge zwischen Segelgeometrie und aerodynamischen Kräften werden in Großausführungsversuchen mit dem Segeldynamometer DYNA des ISM ermittelt. Um Einflüsse der seegangsbedingten Schiffsbewegungen zu minimieren, werden zunächst Versuche in geschützten Gewässern durchgeführt.

Der Einfluss dynamischer Effekte wird mittels weiterer Großausführungsversuche unter realen Seegangsbedingungen auf der Ostsee bestimmt. Aus den Versuchsergebnissen werden mit Methoden der Systemidentifikation die relevanten Parameter ermittelt und quantifiziert.

Variation und Optimierung der Einstellung von Rigg und Segeln sind in der Großausführung nur schwer zu realisieren. Deshalb werden hierfür Modellversuche mit einem verkleinerten Rigg im Windkanal durchgeführt. Die kontrollierten Bedingungen des Windkanals erlauben zudem die Untersuchung von Details der Strömung.

In einem geplanten dritten Projektjahr sollen die experimentellen Daten und das daraus gewonnene aerodynamische Modell durch numerische Simulationen ergänzt und weiter verbessert werden.

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Arbeitsprogramm

Die Grundlage der Untersuchungen bilden Großausführungsversuche mit der Forschungsyacht DYNA, dem Segeldynamometer des Instituts für Schiffs- und Meerestechnik der TU-Berlin. Diese Messyacht wurde am ISM im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projekts entwickelt. Mit dem Sys-tem ist es möglich, sowohl die aero- als auch die hydrodynamischen Kräfte während des Segelns unter realen Bedingungen zu erfassen. Mit dem Segeldynamometer wurden bereits umfangreiche Messfahrten absolviert, wobei der Schwerpunkt bei den zurückliegenden Arbeiten auf der Untersuchung der Hydrodynamik lag. Aufbauend auf den vorliegenden Erfahrungen konzentriert sich das beantragte Projekt nun auf die Erforschung der aerodynamischen Grundlagen zur Optimierung moderner Yachtriggs.

Um die aerodynamischen Verhältnisse analysieren zu können, müssen zur Qualifizierung der Messdaten vorab die beeinflussenden Parameter identifiziert und ihre möglichen Auswirkungen systematisiert werden.

Die Trimmparameter einer Segelyacht sind sehr vielfältig und umfassen unter anderem:

Umrissform des Großsegels (ungerefft, gerefft)
Umrissform des Vorsegels (Genua I, Genua II, Genua III, Fock),
Spinnaker (ja / nein)
Riggtrimmparameter: Vorspannung der Wanten, Vorstagsspannung, Spannung des Achterstags und der Backstage
Rigggeometrieparameter: Mastposition, Mastneigung, Mastbiegekurve
Segeltrimmparameter: Schoteinstellung, Niederholer, Unterliekstrecker, Vorliekspannung (Fall und Cunningham), Riggtrimmparameter (s. o.)
Dynamik der Segel und des Riggs: Formänderung aufgrund äußerer Bedingungen wie Wind und Seegang
Eine Verstellung all dieser Trimm- oder Geometrieparameter hat jeweils unmittelbaren Einfluss auf die Segelgeometrie und damit auf die Aerodynamik. Die Auswirkungen der einzelnen Parameter beeinflussen sich dabei gegenseitig, sie können sich verstärkend überlagern oder teilweise ausgleichen. Um mit den aufgeführten Trimmparametern die Segel gezielt einzustellen, muss das Segeldynamometer von erfahrenen Seglern bedient werden.

Die Auswirkungen der vielfältigen Trimmparameter müssen zur Auswertung der Segelgeometrie in einer überschaubaren Anzahl von Hauptparametern zusammengefasst werden. Dies soll mit Hilfe der Systemidentifikation geschehen. Eine solche Systematisierung der Segelgeometrie zur Auswertung könnte z.B. folgende Hauptparameter umfassen:

Fläche: Größe der Segelfläche und Streckungsverhältnis

Profil und Tiefe: Profilform, Profiltiefe, Rücklage der maximalen Profiltiefe zur Beschreibung der Segelgeometrie über horizontale Profilschnitte.
Twist: Winkelverlauf der Profilsehnen über die Höhe
Zur Beschreibung der Dynamik werden die Amplitude und die Periode erfasst.
Als Ausgangspunkt für die beabsichtigten Untersuchungen kann bereits eine große Anzahl bestehender Daten aus den Messfahrten des abgelaufenen BMBF-Projekts herangezogen werden. Da der Schwerpunkt des Projekts jedoch nicht in der Aerodynamik lag, müssen diese Daten zunächst für die aerodynamisch orientierte Auswertung aufbereitet werden. Mit Hilfe dieser Daten wird eine erste Einordnung der aerodynamischen Gesamtkraft, eine Analyse des Gesamtkraftangriffspunktes sowie Aussagen zu den Anteilen der einzelnen Segel vorgenommen. Bei den zurückliegenden Messfahrten war DYNA noch nicht mit Messeinrichtungen zur Erfassung der Geometrie der Segel und des Riggs ausgerüstet. Um den Zusammenhang der Segelgeometrie mit den gemessenen Kräften und zustandsbeschreibenden Parametern herstellen zu können, muss die Yacht für zukünftige Messfahrten mit entsprechender Messtechnik zur Erfassung der Segelgeometrie ausgerüstet werden. Dazu sollen Digitalkameras im Rigg und an Deck angebracht werden, mit denen die Geometrie der Segel und des Mastes jederzeit erfasst werden kann. Um die Segelprofile hervorzuheben, sollen die Segel mit deutlich erkennbaren Trimmstreifen versehen werden. Die Aufnahme der Segelgeometrie muss mit der Aufnahme der übrigen Messdaten synchronisiert erfolgen können. Mit der für die Auswertung der Segelgeometrie installierten Messtechnik sind umfangreiche Kalibrierungsarbeiten durchzuführen, bei denen die notwendigen geometrischen Transformationen zur Korrektur der perspektivischen und optischen Verzerrung ermittelt werden. Die Installation und Kalibrierung der Messtechnik können auf dem Institutsgelände vorgenommen werden.



Beispiel zur geometrischen Analyse der Segelform (Quelle UK-Sailmakers)
Zur Analyse der Aerodynamik werden Messfahrten mit dem Segeldynamometer durchgeführt. Diese sollen zunächst bei Glattwasser, anschließend bei Seegang durchgeführt werden. Mit den Messfahrten soll ein systematisches Spektrum an Kurswinkeln bei allen nutzbaren Windstärken abgedeckt werden, um die Gesamtheit von Betriebszuständen zu erfassen. Gegenstand der Messfahrten sind jeweils die Aufnahme aller aerodynamischen und hydrodynamischen Kräfte und der zugehörigen zustandsbeschreibenden Parameter. Synchron dazu wird die Segelgeometrie aufgezeichnet; so kann jedem Messwert und Betriebszustand ebenfalls der Zustand des Segeltrimms zugeordnet werden. Um Aussagen zu realistischen Segelzuständen erzielen zu können, ist die fachkundige Einstellung der Segel und sämtlicher Trimmeinrichtungen erforderlich. Bei den anfänglichen Messfahrten auf Berliner Binnengewässern soll zunächst die Funktionalität der Messtechnik erprobt und sichergestellt werden. Darüber hinaus werden die gewonnenen Daten zur Identifizierung der aerodynamischen Hauptparameter und deren Auswirkungen unter Vernachlässigung von Seegang genutzt.

Von herausragender Bedeutung im beantragten Projekt ist die Untersuchung dynamischer Effekte. Dazu sollen Messfahrten bei Seegang durchgeführt werden. Durch die Schiffsbewegungen aufgrund des Seegangs sind die Strömungsverhältnisse an den Segeln hochgradig instationär: Es treten große Schwankungen sowohl in der Anströmgeschwindigkeit als auch im Einfallswinkel auf. Für diese Untersuchungen wird das Schiff daher an die Ostsee überführt, wo umfangreiche Messfahrten unter Seegangsbedingungen durchgeführt werden können. Die Auswertung dieser Daten erbringt grundlegende Erkenntnisse zur Segelaerodynamik unter realistischen Bedingungen. Insbesondere kann mit den Daten der Einfluss der Segelgeometrieparameter auf die aerodynamischen Kräfte und der zeitliche Verlauf der Kräfte bei dynamischen Bedingungen analysiert werden. Von besonderem Interesse ist die Fragestellung, ob unter Schwankung der Richtung und des Betrages der Anströmgeschwindigkeit insgesamt eine Auftriebssteigerung eintritt. Gegebenenfalls kann dies gezielt zur Leistungssteigerung einer Yacht eingesetzt werden. Neben der Auswertung der gewonnenen Messdaten zur Erforschung aerodynamischer Phänomene ergeben die aufgezeichneten Daten auch Aufschluss über die unter realen Bedingungen auftretenden Segelgeometrieparameter sowie das Bewegungsverhalten der Yacht. In einem weiteren Untersuchungsabschnitt sollen Modellversuche durchgeführt werden. Der aus den Großausführungsversuchen bekannte realistische Zustand soll in den Modellversuchen simuliert werden. Für die Versuche wird ein Modell von Rigg und Boot sowie der Am-Wind Besegelung im Maßstab 1:8 angefertigt. Das besondere Merkmal der Modellversuche besteht in der genauen Abbildung der zuvor bei den Versuchen mit der Großausführung aufgetretenen Bedingungen. Dies umfasst sowohl die Segelgeometrie (Profilform, Tiefe, Twist) als auch die äußeren Umstände (Windgradient und daraus resultierende Winkeländerung in der Anströmrichtung) sowie die Bewegungsperioden und -amplituden aufgrund des natürlichen Seegangs.
Einrichtung eines Modells im Windkanal
Hier soll ein systematisches Versuchsprogramm durchgeführt werden, in dem sowohl die grundlegenden aerodynamischen Parameter unter stationären Strömungsbedingungen variiert, als auch dynamische Effekte analysiert werden können. Um die natürliche Charakteristik des Windes (Windgradient) und die dynamischen Bewegungen des Bootes im Modellversuch nachbilden zu können, muss der Windkanal über spezielle Vorrichtungen verfügen. Der Twisted Flow Tamaki Yacht Wind-Tunnel in Auckland, Neuseeland, ermöglicht Untersuchungen in einem Windgradienten. Eine bewegliche Plattform, auf der das Modell im Windkanal befestigt und entsprechend der Beobachtungen aus dem Großversuch bewegt werden kann, muss entwickelt und hergestellt werden. Durch die Analyse des Strömungsbildes in den Modellversuchen ist eine detaillierte Untersuchung von Strömungseffekten möglich.Aus dem Vergleich der Ergebnisse von Modellversuch und Großausführung lassen sich Aussagen über die Zuverlässigkeit von Modellversuchen für die untersuchten Fragestellungen gewinnen. Hiermit sollen Nutzen und Grenzen der Aussagefähigkeit des Modellversuchs aufgezeigt werden.

Mit den Erkenntnissen aus den aerodynamischen Untersuchungen soll ein verbessertes aerodynamisches Modell für die Berechnung der Segelleistung erstellt werden. Bereits im Entwurfsstadium lässt sich hiermit die Leistungsfähigkeit einer Yacht vorhersagen und so die Qualität des Entwurfs einschätzen. Zur Berechnung der Segelleistung verwendet man sogenannte VPPs (Velocity Prediction Programs). Ein VPP bestimmt für verschiedene Betriebspunkte (Variation der Kurswinkel und der Windgeschwindigkeiten) die erreichbaren Fahrtgeschwindigkeiten, indem es die Gleichgewichtszustände zwischen aerodynamischen und hydrodynamischen Kräften des Schiffs ermittelt . Die Qualität der Ergebnisse eines VPP hängt maßgeblich von den darin verwendeten Modellen zur Berechnung der Kräfte ab. Von Hochkirch (2000) wurde ein Leistungsprognoseverfahren erstellt, das mit vielversprechenden Ergebnissen für die Leistungsberechnung des Segeldynamometers aufwartet. Allerdings stellt der Autor selbst dar, dass das darin verwendete aerodynamische Modell weiterentwickelt werden muss. Durch Berücksichtigung weiterer leistungsbestimmender Parameter wie Profil, Twist und Tiefe sowie der Einflüsse dynamischer Effekte soll das aerodynamische Modell erweitert werden. Segelleistungsberechnungen mit dem modifizierten VPP, in dem das neue Modell implementiert wird, werden mit den tatsächlich erzielten Segelleistungen verglichen und sollen aufzeigen, wie zuverlässig die Segelleistungsprognose tatsächlich ist.


Velocity Prediction Programs - Prinzipdarstellung
Neben der grundlegenden Erforschung aerodynamischer Effekte liefert das Projekt Fortschritte für die Methodik des Entwurfs optimierter Segelyachtriggs: Mit den Ergebnissen aus den Untersuchungen der Großausführung ist es möglich, die Qualität der Modellversuchsergebnisse und der Segelleistungsberechnung zu bewerten. Umgekehrt ist es möglich, die jeweiligen Ergebnisse anhand der Großausführungsversuche zu kalibrieren. Somit kann die Qualität der Ergebnisse dieser Methoden gesteigert werden. Für Neuentwürfe sind Großausführungsversuche aufgrund des enormen Aufwandes und der damit verbundenen Kosten in der Regel nicht durchführbar. Segelleistungsberechnung und Modellversuche sind durch den geringeren Aufwand weitaus praktikabler und deshalb von besonderer Bedeutung in der Entwurfspraxis. Mit der erfolgreichen Durchführung des Projekts wird ein neuartiges, leistungsfähiges Modellversuchsverfahren und ein weiterentwickeltes VPP für zukünftige Entwurfs- und Optimierungsaufgaben zur Verfügung stehen.

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Literatur

Literatur zu "Stand der Technik"


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Team

 

Wissenschaftliche Mitarbeiter


Dipl.-Ing. Bernhard Krüger
Dipl.-Ing. Wolfgang Heisen


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Fritz Bohl
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