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3 . Versuchsaufbau

3.1 Der Aufbau des Dynamometers

Das verwendete Dreikomponentendynamometer ist eine Eigenkonstruktion der FH Kiel. Das Modell wird teilgefesselt gefahren, das heißt, dass mit vorgegebenem Krängungs-, Abdrift- und Ruderwinkel gefahren wird. Trimm und Absenkung sind frei. Es wird das Moment MZ, (Luv-, Leegierigkeit), die Querkraft Q und der Widerstand R gemessen.

Die Dynamometerkräfte werden hoch im Mast eingeleitet, da sie die im Rigg angreifenden Kräfte ersetzen. Die Höhe der angreifenden Windkraft wird in 1/3 der Masthöhe angenommen, so dass die Mastlänge, wo die Kräfte im Versuch angreifen, 1/3 der tatsächlichen Mastlänge betragen.

Um eine Aussage über das Modell machen zu können, müssen bei einer Geschwindigkeit relativ viele Einstellungen - jeweils etwa 4 Abdriftwinkel, 4 dazu gehörige Krängungen und dazu noch mal etwa 4 Ruderwinkel - gefahren werden, unter denen der momentenfreie, also der für das stationäre Segeln relevante Punkt, einer von vielen ist. Die Entwicklung zu diesem Punkt hin ermöglicht Aussagen über das Schiff.

Die Drehachse für den Abdriftwinkel wurde so gewählt, dass er die gleiche Richtung wie die Drehachse für den Ruderwinkel aufweist. Dadurch ist es möglich, Ruder- und Abdriftwinkel direkt miteinander zu vergleichen. Es kommt zu einer geometrischen Kopplung von Trimm, Abdrift und Krängung.

3.2 Der Umlauftank

Die Versuche wurden im Wasserumlauftank (Kempf und Remmers F 10) der FH Kiel durchgeführt. Es Iäßt sich eine Geschwindigkeit einstellen, die dann beliebig lange beibehalten werden kann. Das in Verbindung mit Tatsache, dass nicht das Restwellenproblem der Schlepprinnen vorliegt, erlaubt es, relativ viele Versuche bei einer einmal eingestellten Geschwindigkeit in kurzer Zeit durchzuführen. Man kann also beliebig viele Krängungen, Abdriftwinkel und Rudereinstellungen einstellen und den relevanten Bereich voll abdecken.

Im Modellversuch sind Ähnlichkeitsgesetze einzuhalten, um ähnliches Verhalten von Modell und Original voraussetzen zu können:

  • Froude (Oberflächenwellen)
    1995_analyse_f1
  • Reynolds (Zähigkeit)
    1995_analyse_f2

Besonders das Froudesche Ähnlichkeitsgesetz muss eingehalten werden, da das Modell an der Wasseroberfläche fährt und Oberflächenwellen produziert. Diese dabei einzuhaltende Geschwindigkeit widerspricht der aus dem Reynoldschen Ähnlichkeitsgesetz, das die Ähnlichkeit der Grenzschicht fordert. Deshalb werden die Versuche in der Regel mit Wassertemperaturen von etwa 40°C durchgeführt. Man erreicht durch die erhöhte Temperatur eine kleinere kinematische Zähigkeit und damit eine größere Reynoldszahl, die im Modell zu klein ist und durch diese Maßnahme auf eine erträgliche Größe gebracht werden kann.

Da die Versuche nicht auf unendlicher Tiefe und Breite durchgeführt werden, baut das Schiff durch den Flachwasser- und den Kanaleinfluss ein Wellensystem auf, das eigentlich zu einer höheren Geschwindigkeit gehört. Deshalb wird die Umlaufgeschwindigkeit nach Schuster korrigiert und die zugehörige höhere Geschwindigkeit errechnet.

3.3 Das Standardversuchsprogramm

Damit ein vollständiges Bild über die Eigenschaften und Fahrtleistungen einer Yacht vorliegt, um diese beurteilen zu können, ist von der FH Kiel, Institut für Schiffbau, ein Standardversuchsprogramm entwickelt worden. Dies umfasst 4 Teilversuche:

  • Widerstandsversuch: entspricht dem Vor-dem-Wind-Segeln. Dazu wird die Abdrift und die Ruderlage so eingestellt, dass keine Querkraft und kein Moment vorhanden ist. Bei Froudezahlen über 0,4 also über Rumpfgeschwindigkeit, können Aussagen über das Gleitverhalten getroffen werden.
  • Abdriftversuch; Ruder mittschiffs: Bei einer oder mehreren Geschwindigkeiten werden verschiedene Krängungswinkel mit den dazu gehörenden Abdriftbereichen untersucht. Es werden Widerstand und Querkraft gemessen, aus denen man dann mit den Gimcrack-Koeffizienten den tatsächlichen Abdriftwinkelbereich ermitteln kann. Aus den gemessenen Momenten lassen sich Aussagen über die zu erwartende Luv-/ Leegierigkeit ableiten.
  • Abdriftversuch; Q = konst.: Bei konstanter Querkraft werden die Ruderwinkel variiert und die Abdrift nachgeregelt, bis die gewählte Querkraft vorhanden ist. Es wird dann so gemessen, dass der Momentennullpunkt eingeschlossen wird. Man erhält so die Zusatzwiderstände, die beim Legen des Ruders auftreten und daraus die Ruderwinkel mit den zugehörigen Widerständen, die notwendig sind, um überhaupt geradeaus zu segeln. Es Iäßt sich auch erkennen, wie groß die Momente sind, die das Ruder aufzubringen in der Lage ist. Im Allgemeinen werden 2 Querkräfte gewählt, die den Abdriftwinkelbereich, den man aus den vorhergehenden Versuchen ermittelt hat, einschließen.
  • Ruderversuch; Q = 0: Bei konstanter Geschwindigkeit werden die Ruderwinkel variiert und die Abdrift nachgestellt, bis die Querkraft Null ist. Das Moment ist dann ein Maß für die Größe der Störung, die durch das Ruder abgefangen werden kann. Man gewinnt auch Aussagen darüber, wie groß die Widerstände sind, die mit einem Ruderlegen verbunden sind.