Was ist die Bedeutung der Bulbous Bug von Schiffen?

Eine Sache, die einem gewöhnlichen Menschen bei den meisten Schiffen oft ins Auge fällt, ist der bauchige Vorsprung am vorderen Ende des Schiffes, oft unterhalb der Wasserlinie. Es besteht kein Zweifel daran, dass Sie sich irgendwann in Ihrem Leben gefragt haben, was der Grund für das Vorhandensein dieser Struktur ist. Nun, da sie im Allgemeinen der Form einer Zwiebel ähnelt und sich immer am Bug des Schiffes befindet, ist sie als Zwiebelbug bekannt.

Werfen wir einen Blick zurück auf die Zeit vor etwa hundert Jahren. Erinnern Sie sich an die Titanic? Sie haben sicher festgestellt, dass sie keinen Wulstbug hatte. Aber sehen Sie sich einmal die Bugs moderner Kreuzfahrtschiffe, Containerschiffe, Flüssiggastanker, Forschungsschiffe usw. an. Sie alle zeichnen sich durch einen bauchigen Bug aus. Nicht nur Einrumpfschiffe, sondern auch Katamarane sind heute mit einem Wulstbug anstelle eines geraden Bugs ausgestattet. Warum?

Wenn ein Schiff wogt, erzeugt es seine eigenen Kelvin-Wellen (die, die man um ein Schiff herum sieht, wenn es auf offener See fährt), wie in Abbildung 1 dargestellt.

Stellen Sie sich das so vor – die Wellen sind im Grunde genommen wandernde Formen von Energie im Medium Wasser. Woher kommt diese Energie? Mit anderen Worten, wer hat die Wasserteilchen mit Energie versorgt, um diese Wellen zu bilden?

Es ist die bewegte Masse des Schiffes, die diese Aufgabe übernimmt. Man beachte das Wort „bewegt“. Die Bewegung des Schiffes wird durch sein Antriebssystem angetrieben. Ein Teil der vom Motor gelieferten Energie wird für die Drehung des Propellers verwendet, und ein Teil des vom Propeller erzeugten Schubs dient dazu, das Schiff tatsächlich anzutreiben. Wohin geht der Rest der Energie? Erinnern Sie sich, dass die Wasserteilchen mit Energie versorgt wurden, um Wellen zu übertragen? Das ist die Antwort. Man nennt das auch den Wellenbildungswiderstand eines Schiffes.

Warum diskutieren wir das und was hat das mit dem Wulstbug zu tun? Lesen Sie weiter.

Betrachten Sie ein Schiff mit einem geraden Bug (zum Beispiel die Titanic). Wenn das Schiff vorwärts schwimmt, bewegen sich die Wasserteilchen über die gesamte Länge des Schiffes in Richtung Heck. Aber was ist mit dem Wasserteilchen, das genau auf der Mittellinie des Hecks auftrifft? Seine momentane Geschwindigkeit ist Null, was in der Wissenschaft als Stagnationspunkt bezeichnet wird. Wenn Sie sich an die Bernoulli-Gleichung erinnern, wird der Druck an einem Staupunkt höher sein. Der Druck der Wasserteilchen am Bug ist also höher, so dass der Scheitelpunkt einer Welle entsteht. Diese Welle wird als Bugwelle bezeichnet, da sie durch die Bewegung des Bugs durch das Wasser entsteht, wie in Abbildung 2 dargestellt. Bei einem geraden Bug bildet sich also immer eine Welle, deren Scheitelpunkt am Bug liegt. Es ist also offensichtlich, dass wir einen Teil der Motorleistung für die Erzeugung dieser Welle verschwenden. Was, wenn dieser Effekt der Wellenbildung reduziert werden kann? Wenn ja, wie?

Wenn wir eine weitere Diskontinuität (jede Struktur im Schiff unterhalb der Wasserlinie, die die laminare Strömung stört, wird als Diskontinuität betrachtet) unterhalb der Wasserlinie am Bug, vor dem Steven des Schiffes, einführen, wird die Diskontinuität selbst eine weitere Welle an ihrem vordersten Punkt hervorrufen. Da sich der Bug immer noch an der Wasserlinie befindet, wird er normale Bugwellen erzeugen. Was wäre, wenn wir die Form und Position der Diskontinuität so gestalten könnten, dass die Bugwelle und die durch die Diskontinuität erzeugte Welle eine destruktive Interferenz ergeben? (Siehe Abbildung 3) Nun, das ist so ziemlich das Prinzip, das hinter der Konstruktion eines bauchigen Bugs steht. Die destruktive Interferenz führt zu einer geringeren Wellenbildung des Schiffes, was wiederum den wellenbildenden Widerstand der Rumpfform verringert.

In den ersten Phasen der Entwicklung der Birne bestand die Hauptaufgabe des Entwurfs darin, den wellenbildenden Widerstand zu verringern. Aber im weiteren Verlauf konnten wir nicht aufhören, uns mit weiteren interessanten Aspekten zu befassen, die im Folgenden erläutert werden:

Die Wellenbildung ist ein wesentliches Merkmal feinerer Rumpfformen. Deshalb sieht man bei Kreuzfahrtschiffen, Linienschiffen, Yachten und Marinekreuzern auffällige Kelvin-Wellenformen. Bei Massengutfrachtern oder Öltankern (vollere Rumpfformen) ist es offensichtlich, dass diese Rumpfformen keine ausgeprägten Kelvin-Wellenmuster aufweisen. Warum? Weil die Wasserlinienbreite am Steven selbst so groß ist (oder anders gesagt, die Diskontinuität in der Strömung ist höher), dass der Druck so weit ansteigt, dass die Bugwellenhöhe den Schwellenwert überschreitet, bis zu dem eine Welle ihre Eigenschaften behält. In diesem Fall bricht die Welle direkt am Bug, noch bevor sie sich über die gesamte Schiffslänge ausbreitet.

Sind also vollere Rumpfformen in dieser Hinsicht energieeffizienter? Nein. Haben vollere Rumpfformen einen höheren Wellenbrechungswiderstand? Nein. Haben vollere Rumpfformen einen hohen Wellenbrechungswiderstand? Ja. Aus diesem Grund wurden auch bei Bulkern und Tankern Wülste eingeführt, um den Wellenbrechungswiderstand zu verringern.

Die verschiedenen Arten von Wülsten sind je nach ihrer Form, Position und Ausrichtung wie folgt dargestellt:

Die Position des Bulbs beeinflusst maßgeblich die Phasendifferenz zwischen der Bugwelle und der Bulbwelle. Das Volumen des Bulbs ist ein entscheidender Faktor für die Amplitude der resultierenden Welle.

Ein weiterer Vorteil des Bulbs ist, dass er die dynamischen Auswirkungen der Nickbewegung eines Schiffes reduziert. Bei den meisten Schiffen wird das Innere des Bulbs als Ballasttank für den Vorpiek verwendet. Bei starkem Stampfen wird der Vorpiekstank oft mit Ballast versehen, um die Auswirkungen des Stampfens zu verringern.

Wie? Nun, die Zeitdauer des Stampfens ist direkt proportional zum Längsabstand der Gewichte von der LCG des Schiffes. Wenn die Vorpiek mit Ballast versehen ist, erhöht sich das Gewicht in einem größeren Abstand von der LCG des Schiffes (die in den meisten Idealfällen hinter dem Mittschiff liegt). Mit anderen Worten: Der Pitch-Taumelradius vergrößert sich und damit auch die Pitchperiode des Schiffes. Eine größere Stampfperiode führt zu geringeren dynamischen Effekten der Stampfbewegung.

Im Falle der Eisfahrt lässt die Wölbung gebrochenes Eis mit der nassen Seite am Rumpf entlang gleiten. Da die nasse Seite des Eises einen geringeren Reibungskoeffizienten hat, verringert sich der Gesamtwiderstand des Schiffes.

Bulbous Bows haben sich auch bei der Unterbringung von Bugstrahlern als vorteilhaft erwiesen, wie man bei modernen Schiffen mit Bugstrahlrudereinheiten sehen kann. Bei Marineschiffen, die Hochfrequenz-Unterwasserakustik wie SONAR verwenden, wirken bauchige Bugs als schützendes Gehäuse, zusätzlich zu den positiven Effekten der Widerstandsreduzierung.

Nach wiederholten Modellversuchen mit einer breiten Palette von Rumpfformen und Bulb-Formen wurde festgestellt, dass Bulbs nicht bei allen Betriebsgeschwindigkeiten effizient sind (beziehen Sie sich auf Froude-Zahlen). Bei sehr niedrigen Froude-Zahlen hat sich gezeigt, dass bauchige Bögen den Widerstand erhöhen. Warum wohl? Weil ein Wulst nur dann wirksam ist, wenn er zusammen mit der Bugwelle seine eigene Welle erzeugt. Aber bei sehr niedrigen Froude-Zahlen werden kaum Wellen erzeugt. Da der Bug aber immer noch unter der Wasserlinie liegt, vergrößert sich die gesamte benetzte Oberfläche des Schiffes, was zu einer Erhöhung des Hautreibungswiderstandes beiträgt.

Wissen Sie mehr über die Bedeutung des Wulstbugs von Schiffen?