Aufgabenstellung und Ziel
Ende 2010 wurde durch die Bundesanstalt für Wasserbau für den Bereich Binnenschifffahrt eine Schiffsführungssimulator ANS5000 beschafft. Im Jahr 2017 erhielt der Schiffsführungssimulator ein Upgrade auf ANS6000. Zentrales Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Simulator, der seitens der implementierten Modellverfahren für die Ausbildung des nautischen Personals auf Seeschiffen ausgelegt ist, in Betrieb zu nehmen und an die Anforderungen der BAW für den Bereich Binnenschifffahrt anzupassen, indem die in der BAW entwickelten Modellverfahren für die fahrdynamische Begutachtung von Wasserstraßen implementiert und Schnittstellen zu den flussbaulichen HN-Modellen eingerichtet werden. Da Schiffsführungssimulatoren bisher nur in der Seeschifffahrt eingesetzt wurden, müssen neben der Implementierung der BAW-Modelle zusätzlich verifizierte Schiffsmodelle inklusive der Parametersätze, die die fahrdynamischen Eigenschaften eines Schiffes bestimmen, für den ANS6000 erstellt werden.

Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Aus dem Trend, dass immer größere Schiffe in den vorhandenen Wasserstraßen fahren (überlange Verbände auf dem Rhein, überlange Großmotorgüterschiffe (üGMS) auf dem Neckar), gewinnen Fragestellungen wie z.B. nach dem Einfluss von Querströmungen auf die Fahrt eines Binnenschiffes, nach der Wechselwirkung Schiff/Schiff bzw. Schiff/Wasserstraße, nach dem Verkehrsflächenbedarf in der Manöverfahrt und nach Squat und Bankeffekt immer mehr an Bedeutung. Viele dieser Fragen lassen sich nur noch durch komplexe Simulationen der Schiffsbewegung beantworten, in denen das Schiff durch einen Bahnregler oder durch Schiffsführer nach Sicht gesteuert wird. Die Bedeutung wird umso deutlicher, als schon heute und zukünftig verstärkt die wirtschaftliche Ausnutzung der vorhandenen oder dann angepassten Infrastruktur Wasserstraße im Vordergrund stehen wird und damit eine kontinuierliche Weiterentwicklung der modularen Simulationssoftware für die Aufgaben der WSV erforderlich ist.

Untersuchungsmethoden

Die Modellierung der fahrdynamischen Eigenschaften eines Binnenschiffes ist von besonderer Bedeutung, um die Qualität der späteren Simulationsergebnisse zu steigern. Auf Grundlage von Messdaten fahrender Binnenschiffe wurden die Koeffizienten für die Maschinen- und für die fahrdynamischen Modelle ermittelt. Inzwischen wird diese Methode durch CFD-Berechnungsmethoden für Binnenschiffe und Schubverbände im Tief- und Flachwasser ergänzt.
Zur Validierung der CFD-Methode werden die benötigten Größen aus Schleppversuchen gewonnen. Das Schiffsmodell wird auf einer vorgeschriebenen Bahn durch einen Schlepptank bewegt, wobei die hydrodynamischen Kräfte und Momente gemessen werden. Auf Basis systematischer experimenteller Untersuchungen der Widerstands-, Antriebs- und Manövriereigenschaften wird derzeit die Validierung mittels Lösung der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) durchgeführt. Dazu wird auf die Erfahrungen aus dem Vorgängerprojekt Referenzschiff zurückgegriffen.
Die Grundlage für das mathematische Modell bildet das nach Abkowitz (1964) eingeführte Koeffizientenmodell, mit der sich die wirkenden Kräfte und Momente eines Schiffes anhand von hydrodynamischen Koeffizienten beschreiben lassen. Stand der Technik ist es, für Manövriervorgänge von Schiffen im Flachwasser nur die 3 Freiheitsgrade in der horizontalen Ebene zu betrachten. Mit der Erweiterung des Modells auf 6 Freiheitsgrade sollen künftig auch weitere Effekte, wie unter anderem Bankeffekt, Sloshing, Squat oder Schiff-Schiff-Interaktionen modellierbar sein. Zur Validierung des Modells ist es notwendig, anhand von numerischen Berechnungen und Modell- sowie Feldversuchen die fehlenden Daten und Wechselwirkungen der Effekte zu erfassen. Sind alle Einflüsse einbezogen und das Modell validiert, soll es auch in den Quellcode des Fast-Time-Simulators FaRAO eingesetzt werden, um lange Streckenfahrten zu simulieren.