Was ist das Besetzen von Schiffen?

Aug 03, 2023

In unserem vorherigen Artikel haben wir die Kielfreiheit unter Wasser und ihre Bedeutung ausführlich besprochen. Wir erfuhren auch kurz etwas über den Squatting-Effekt von Schiffen und seine Auswirkungen auf die Kielfreiheit unter Wasser. In diesem Artikel werden wir näher auf dieses interessante hydrodynamische Phänomen eingehen.

Squatting ist ein hydrodynamisches Phänomen, das auftritt, wenn ein Schiff in seichten Gewässern fährt. Das bedeutet, dass im interessierenden Bereich nur eine begrenzte Tiefe verfügbar ist. Durch das Hocken neigt das Schiff dazu, zu sinken oder erfährt einen plötzlichen Tiefgangsverlust. Dieser Effekt führt dazu, dass das Schiff auf Grund laufen kann, wenn die Tiefe in den angrenzenden Gewässern nicht ausreicht.

Wenn wir mit der Diskussion des Squatting-Effekts beginnen, ist es zunächst wichtig, einige Grundlagen der Hydrodynamik und der Physik von Flüssigkeiten noch einmal zu beleuchten.

Nach den Grundprinzipien der Natur hat jede Flüssigkeit, die durch einen endlichen Raum oder ein endliches System strömt, einen konstanten Volumenstrom, vorausgesetzt, der Fluss ist gleichmäßig, nicht viskos, inkompressibel und es treten keine Verluste auf.

Einfacher ausgedrückt: Zu einem bestimmten Zeitpunkt bleibt jedes Flüssigkeitsvolumen, das in ein geschlossenes System gelangt, gleich, wenn es das System verlässt, sofern es die oben genannten Bedingungen erfüllt. Die einfachste Darstellung dieses Problems wäre ein Rohr mit unterschiedlichen Querschnittsflächen (A1 und A2) am Ein- und Auslass.

Angenommen, ein reiner Wasserstrom mit einem gewissen Volumen V tritt durch den Einlass A1 in das Rohr ein; Das gleiche Volumen V würde aus dem Auslass A2 austreten, vorausgesetzt, es treten keine Verluste oder andere Effekte auf.

Bedenken Sie nun, dass die Auslassfläche A2 kleiner ist als die Einlassfläche A1. Was wird passieren? Zu einem bestimmten Zeitpunkt sollte das in das System eintretende Volumen das gleiche bleiben wie das austretende Volumen. Um diese Gleichheit aufrechtzuerhalten, erhöht sich daher die Durchflussmenge bzw. die Strömungsgeschwindigkeit.

Somit wäre die Durchflussrate am Auslass A2 höher als an A1, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt die gleiche Wassermenge austritt, die eingetreten ist. Daher aus der einfachen Beziehung:A1 X V1 = A2 X V2 (A1>A2)

Dabei sind A1 und A2 die Flächen, während V1 und V2 die Durchflussraten am Einlass bzw. Auslass sind.

Da A1 größer als A2 ist, ist die Strömungsgeschwindigkeit V2 größer als V1. Jede Seite dieser Gleichung hat die Einheit Kubikmeter pro Sekunde (Meter m² x Meter pro Sekunde m/s), was im Wesentlichen bedeutet, dass der Volumenstrom oder das Wasservolumen, das an einem bestimmten Punkt durch die betrachtete Region fließt, Die Zeit ist konstant.

Wir müssen schon einmal von Bernoullis Prinzip gelesen haben, das einfache Flüsse regelt. Dieses Strömungskonzept geht der oben genannten Theorie einen Schritt voraus und beschreibt die Strömung auch in Bezug auf den Druck. Was ist Druck in Flüssigkeiten? Es gibt zwei Arten von Druck in Flüssigkeiten: statisch und dynamisch.

Betrachten Sie ein Objekt tief im Wasser in einer Tiefe von h. Wie wir wissen, ist der auf das Objekt wirkende statische Druck der statische Druck, der als Produkt aus Dichte (ρ), Erdbeschleunigung (g=9,81 m/s2) und Tiefe (h) definiert werden kann. [statischer Druck = ρ X g X h].

In einer vollkommen ruhigen Umgebung wie einem geschlossenen, mit Wasser gefüllten Tank würde jedes Objekt, das sich in einer bestimmten Tiefe befindet, überwiegend einem einfachen statischen Druck wie definiert ausgesetzt sein. Die Grundlage für den statischen Druck ist potentielle Energie.

In den meisten physikalischen Umgebungen wie Meeren, Flüssen, Bächen usw. ist auch mit der Kinetik oder Bewegung der Strömung ein erheblicher Druck verbunden, der als dynamischer Druck bezeichnet wird.

Die Größe dieses Drucks hängt ausschließlich von der Strömungsgeschwindigkeit bei gegebener Dichte des Fluids ab. Diese Druckkomponente hängt mit der kinetischen Energie der Flüssigkeit zusammen. Sie kann als die Hälfte des Produkts aus Dichte und Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit definiert werden. [Dynamischer Druck = ½ X ρ X V2].

Nach dem Bernoulli-Prinzip bleibt die Summe der statischen und dynamischen Druckkomponenten in einem betrachteten Bereich im Wesentlichen konstant.

Statischer Druck (ρgh) + Dynamischer Druck (½ ρ V2 ) = Konstante (P)

Anders ausgedrückt: P + ½ ρ V2 + ρgh = 0

Gemäß dieser Beziehung stehen daher die statischen und dynamischen Komponenten des Drucks in einem umgekehrten Verhältnis zueinander.

Dieselbe Theorie bildet die Grundlage für den Squatting-Effekt auf Gefäße. Schauen Sie sich nun die Abbildung an, auf der sich ein Schiff in seichten Gewässern bewegt.

Beachten Sie sorgfältig, dass bei der Strömung, die von der gegenüberliegenden Seite kommt, die Fläche beim Auftreffen auf das Schiff deutlich kleiner wird.

Die Anwendung des Konzepts der Strömungskontinuität führt aufgrund des verringerten Raums zu einer erhöhten Durchflussrate. Von nun an nimmt die Strömungsintensität unter dem Schiff im Bereich des eingeschränkten Abstands zwischen dem Schiff und dem Meeresboden dramatisch zu.

Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich aufgrund der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit an der Unterseite des Rumpfes auch der Staudruck. Dies führt, wie oben erläutert, zu einer Verringerung der statischen Druckkomponente.

Da der statische Druck, genauer gesagt der hydrostatische Druck, eng mit den Auftriebskräften zusammenhängt, die beim Aufschwimmen des Schiffes auftreten, äußert sich dieser Druckabfall in einem Verlust des Auftriebs und in der Folge in einem Absinken des Schiffes.

Dieser Effekt des Absinkens oder Tiefgangsverlusts aufgrund des Abfalls der statischen Druckhöhe ist das Squatting-Problem, das bei Schiffen mit geringem Tiefgang auftritt, bei denen zwischen der Unterseite des Rumpfes und dem Meeresboden nur ein begrenzter Spielraum besteht.

Nun gibt es ein weit verbreitetes Missverständnis, dass das Hocken dazu führt, dass das Schiff gleichmäßig im Tiefgang sinkt. Dies ist jedoch nicht der Fall.

Das Hocken führt häufig zu Beschneidung, Heilung oder unterschiedlichem Luftzug. Gleichzeitig besteht bei einem Schiff, das bereits krängt oder getrimmt ist, das Problem, dass es anders in die Hocke geht als bei einem Schiff mit geradem Kiel. Lesen Sie weiter unten, um mehr darüber zu erfahren.

Lassen Sie uns nun kurz die Faktoren zusammenfassen, die Kniebeugen und deren Ausmaß beeinflussen.

Tiefe: Wie oben erwähnt, ist die Tiefe der wichtigste Faktor. Je geringer die verfügbare Tiefe, desto geringer ist der verfügbare Freiraum unter dem Kiel und desto ausgeprägter sind daher die Auswirkungen des Hockens.

Entwurf:Ebenso sind bei Schiffen mit größerer Verdrängung und geringerem Tiefgang die Auswirkungen des Squattings aufgrund des höheren Tiefgangs und des geringen Abstands unter dem Kiel zwischen der Unterseite des Rumpfes und dem Meeresboden umso größer.

Geschwindigkeit: Auch die Geschwindigkeit des Schiffes spielt eine ganz entscheidende Rolle. Wie wir gesehen haben, steigt die Durchflussrate aufgrund des geringeren Abstands unter dem Rumpf dramatisch an, was zu einem Druckabfall führt.

Das Muster dieser Strömung wird nun zusätzlich durch die Schiffsbewegung beeinflusst. Wenn aufgrund konstruktiver Interferenz die Richtung des Schiffes und der Strömung gleich sind, erhöht sich die Relativgeschwindigkeit des Wassers weiter.

Diese von Natur aus erhöhte Strömungsgeschwindigkeit erreicht einen höheren Wert, wenn sie unter dem Rumpf hindurchströmt, was die Squatting-Effekte noch verstärkt.

Bei entgegengesetzter Strömungsrichtung ist auch hier der Squatting-Effekt deutlich ausgeprägter, jedoch etwas geringer als bei konstruktiver Interferenz. Die Auswirkungen des Hockens sind vergleichsweise geringer, wenn das Schiff eine sehr niedrige oder keine Geschwindigkeit hat.

Blockkoeffizient: Wir haben oben erwähnt, dass das Hocken eines Schiffes mit dem Krängen oder Trimmen zusammenhängt. Der Blockkoeffizient des Schiffes spielt eine wichtige Rolle für die Trimmeigenschaften.

Es wurde beobachtet, dass ein Schiff mit einem Blockkoeffizienten über 0,7, d zuvor auf geradem Kiel. Umgekehrt besteht bei Gefäßen, die eine feinere Form haben (Blockkoeffizient < 0,7), eine Trimmtendenz nach hinten.

Topologie und Beschaffenheit des Meeresbodens: Vieles davon haben wir in unserem vorherigen Artikel über die Kielfreiheit unter Wasser besprochen. Der Meeresboden ist selten von einheitlicher Natur. Daher spielen auch die Beschaffenheit und topologischen Eigenschaften des Meeresbodens oder -bodens eine sehr wichtige Rolle bei den Squatting-Effekten.

Stellen Sie sich zum Beispiel ein Schiff vor, das auf geradem Kiel im geringen Tiefgang auf einem Meeresboden mit unterschiedlicher Beschaffenheit schwimmt, wie gezeigt. Da es in der Nähe des vorderen Endes im Vergleich zum hinteren Ende einen geringeren Spielraum oder Spielraum gibt, verstärkt sich der Squatting-Effekt in der Nähe des Bugs. Daher tendiert das Schiff dazu, nach vorne zu trimmen.

An diesem Punkt kommt auch der oben genannte Faktor ins Spiel. Wenn das Schiff eine gute Form hat, tendiert es von Natur aus dazu, nach hinten zu trimmen, und der Vorwärtstrimm kann deutlich geringer ausfallen. Im schlimmsten Fall jedoch, wenn das Schiff ebenfalls geblufft wird, wird dieser Trimm durch den Bug erheblich verstärkt und das Schiff hat ein sehr hohes Risiko, vom Bug her umzulaufen.

Bereits vorhandene Fersen- und Besatzzustände:Wenn das Schiff aufgrund von Krängung oder Trimm unterschiedliche Tiefgänge in Quer- oder Längsrichtung aufweist, nimmt der Squatting-Effekt im Wesentlichen weiter zu, je nachdem, wo der Tiefgang höher (und die Durchfahrtshöhe geringer) ist.

Beschränkte oder unbeschränkte Gewässer: Wenn sich das Schiff außerdem in einem begrenzten Wasserbereich wie einem Kanal befindet, verstärken sich die Squatting-Effekte noch weiter, da der Wasserfluss aufgrund physischer Grenzen sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung weiter zunimmt. Darüber hinaus gibt es in eingeschränkten Gewässern einen Effekt, der dem Hocken in seitlicher Richtung ähnelt und das Schiff zur Seite zieht, was als Bank- oder Sogeffekt bekannt ist. Wir werden dies in einigen zukünftigen Artikeln ausführlich besprechen.

Andere verschiedene Faktoren wie Schiffsverkehrsdichte, Wellen, Seegang, Seegangsbewegungen des Schiffes usw.

Das Zusammenspiel all dieser Faktoren in unterschiedlichem Ausmaß entscheidet über das Ausmaß und die Art der Kniebeuge.

Da es sich bei Kniebeugen um einen sehr zufälligen und komplizierten Effekt handelt, der vom Zusammenspiel mehrerer Faktoren und oft auch dynamisch abhängt, gibt es keine definitive Berechnung. Die Berechnungen haben sich im Laufe der Zeit geändert und werden häufig hydrodynamisch auf der Grundlage numerischer oder experimenteller Methoden abgeleitet.

Aus praktischen Gründen basieren die meisten Berechnungen jedoch auf drei sehr wichtigen Faktoren: Geschwindigkeit, Rumpfform und Verdrängung.

Eine sehr vereinfachte empirische Formel, die zur Berechnung des Ausmaßes der Kniebeuge verwendet wurde, lautet wie folgt:

Kniebeuge = k X Blockkoeffizient X (V2/100)

Wobei V die Schiffsgeschwindigkeit ist. K ist für begrenzte Wasserbedingungen gleich 2, was mit der Theorie übereinstimmt, dass der Squatting-Effekt bei begrenzten Bedingungen stärker zunimmt, wie oben diskutiert.

An anderer Stelle kann es als 1 angenommen werden.

Mehrere hydrodynamische Software oder Tools, die auf Computermodellen und Echtzeitsimulationen basieren, haben die Schätzungen zum Squatting realistischer und genauer gemacht.

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Subhodeep ist Absolvent der Marinearchitektur und Meerestechnik. Er interessiert sich für die Feinheiten von Meeresstrukturen und zielgerichteten Designaspekten und widmet sich dem Austausch und der Verbreitung gemeinsamen technischen Wissens in diesem Sektor, der gerade in diesem Moment einen Umschwung erfordert, um wieder zu altem Glanz zu erblühen.