Ausgewählte Modelle

Auf Grundlage der Simulationen habe ich für Vergleichszwecke die vier besten Modelle der Modellreihen M3b, M4 und M4a ausgewählt, wobei ich bei M4a zwei Modelle ausgewählt habe. Diese werden im Vergleich zum Ausgangsdesign "Design_1745ref" dargestellt. An dieser Stelle soll nur auf die geometrischen Unterschiede eingegangen werden, um diese in Bezug zu deren hydrodynamischer Performanz und Seetüchtigkeit zu bewerten. Eine Sammlung der wichtigsten Kennwerte dieser Designs finden sich unter dem Menüpunkt SHIPFLOW Finale Ergebnisse.

Abbildungen 1-5 zeigen die Rümpfe vom Heck her. Dabei wurden die Flächen halb-transparent dargestellt, um die Knicklinien in der ganzen Länge sichtbar zu machen.

Deutlich fällt ins Auge, dass mein Referenzmodell 1745ref sehr steile Seitenwände hat (5° Neigung gegen die Senkrechte). Das andere Extrem stellt das Design M4Z_0059 (20° Neigungswinkel) dar. Die übrigen Modelle liegen in der Mitte (10° Neigungswinkel). Bei nur 5° Neigungswinkel ist damit zu rechnen, dass der Rumpf zum Stampfen in der Welle neigt, da die Dämpfungswirkung durch eine starke Volumenzunahme oberhalb der Wasserlinie hier nicht gegeben ist. Ein größerer Winkel ist somit Vorteilhaft. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine zu starke Verbreiterung (20°) den Widerstand erhöht. Die besten Designs haben daher in meinem Fall eine Neigungswinkel von 10°.

Einen wesentlichen Einfluss auf den hydrodynamischen Widerstand hat die Wasserlinienbreite am Heck, also die Heckbreite. Obwohl bei vielen Fahrtenkatamaren heutzutage aus Gründen der erhöhten Verdrängung und dem größeren Platzangebot sehr breite Heckwasserlinen gewählt werden, sind diese zumindest im Bereich $F_{n}=0.3$ sehr unvorteilhaft, weil sie den Wellenwiderstand massiv erhöhen. Das erklärt die oft schlechten Leichtwindsegeleigenschaften moderner Fahrtenkatamarane. Ich habe an dieser Stelle mehrfach meinen Design-Parameterbereich für die Heckbreite ändern müssen (von 1,2m-1,4m bis hinunter zu 1,0-1,2m), weil die guten Design hartnäckig am unteren Parameterrand zu finden waren. Allerdings muss dabei bedacht werden, das bei einem schmalen Heck die Aufbauten (Brückendeck) deutlich in Richtung Mitte der Rumpflängsrichtung wandern müssen, sonst ist ein hängendes Heck vorprogrammiert. Ich weiß von einem Design, bei dem man aus diesem Grund hinten 1,5m extra angeschweißt ... (kein Witz). Eine gute Orientierung bietet dabei die Lage des Auftriebsschwerpunktes (vgl. Tabelle auf der Ergebnisseite).

Betrachtet man die erste Knicklinie von Mittschiffs aus gesehen, fällt auf, dass dieser Knick bei keinem der vier ausgewählten Design hinter dem breitesten Punkt nach innen gekrümmt ist. Entweder sie laufen fast exakt Längsrichtungsparallel oder leicht nach außen. Dies ist sicher kein Zufall: Im Unterschiffsbereich verlaufen die Strömungslinien exakt in Schifflängsrichtung. Würde die unterste Knickline nach innen laufen, würde es dort zwangsläufig zu Strömungsabrissen und Verwirbelungen kommen. Diese würden den Gesamtwiderstand $R_t$ erhöhen. Bei einem auseinanderlaufenden untersten Knick scheint dieser Effekt nicht so stark aufzutreten. Aus Sicht der Verwirbelungen bleibt festzuhalten, das ein längsschiffsparalleler erster Knick strömungstechnisch vorteilhaft ist.

Abbildung 6 zeigt die Drauf- und die Seitenansicht für alle ausgewählten Designs. Besonders auffällig ist die Auswirkung der am Bug hochgezogenen obersten Knickline bei der Modellreihe M4a auf die Wasserlinie (rote Line). Diese wird dadurch im Bugbereich in der Draufsicht deutlich schmaler, was eindeutig die bessere Performance bei niedrigeren Geschwindigkeiten gegenüber Modellreihe M4 bewirkt. Es scheint rein optisch absurd zu sein, dass eine nicht- gleichförmiger Wasserlinienverlauf hydrodynamisch besser ist, als ein strackender Verlauf der Wasserlinie. Dies kann nur mit der Verteilung der Wellenberge und -täler im Bugbereich bei verschiedenen Froudezahlen verstanden werden. Aber intuitiv ist das sicher nicht!

Weiterhin fällt auf, dass dieses Vorgehen bei der M4a-Modellreihe zu einer deutlich stumpferen Spitze der Wasserlinie am Bug führt. Auch dies sollte dem erfahrenen hydrodynamiker nicht ganz fremd sein: Sehr scharfe Bugkanten sind hydrodynamisch nicht optimal (NACA Profile und Tropfen sind auch vorne nicht scharfkantig!)