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CFD-Modellierung und Parametrisierung hydrodynamischer Effekte der Interaktion von Binnenschiffen und Wasserstraße

CFD-Modellierung der Schiff-Wasserstraße-Interaktion Mathematische Modellierung der Interaktion zwischen Binnenschiff und Wasserstraße für Schiffsführungssimulatoren Eine physikalisch korrekte Abbildung der Wechselwirkung zwischen Binnenschiff und Wasserstraße ist entscheidend für genaue Befahrbarkeitsanalysen auf Binnenschiffsführungssimulatoren. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Vorhersage der Manövrierfähigkeit von Binnenschiffen in begrenzten Wasserstraßen mit Hilfe numerischer und experimenteller Methoden zu verbessern. Aufgabenstellung und Ziel Für die Bearbeitung von Fragestellungen zur Befahrbarkeit von Binnenwasserstraßen ist eine realitätsnahe Simulation der Wechselwirkung zwischen Schiff und Wasserstraße unerlässlich. Für die Durchführung von Verkehrsanalysen stehen der BAW unter anderem der Schiffsführungssimulator ANS6000 sowie der von der BAW entwickelte Fast-Time-Simulator FaRAO (Fahrdynamische RoutenAnalyse und Optimierung) zur Verfügung. Diese werden fortlaufend an die aktuellen Anforderungen der Binnenschifffahrt angepasst. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Anpassung der Simulatoren an komplexe Manöversituationen, wodurch ihr Einsatzbereich erweitert und die Validität der Untersuchungsergebnisse deutlich verbessert wird. Hauptbestandteil des Forschungsvorhabens ist die systematische numerische und experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Binnenschiff und Wasserstraße unter extremen Bedingungen mit dem Ziel, die Validität der Manövriermodelle zu verbessern. Als extreme Bedingungen gelten Manövriervorgänge in der Nähe von Wasserbauwerken wie Wänden, Schleusen und Häfen sowie Begegnungen und Überholvorgänge. Mithilfe von numerischen und experimentellen Methoden sollen die wichtigsten hydrodynamischen Effekte charakterisiert werden. Diese zahlreichen Untersuchungen liefern dann eine wertvolle und umfangreiche Datengrundlage zur mathematischen Modellierung von komplexen Wechselwirkungen zwischen Binnenschiff und Wasserstraße. Die entwickelten Modelle sollen in die BAWeigenen fahrdynamischen Simulatoren implementiert werden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Die Optimierung der verkehrswasserbaulichen Planung hinsichtlich der Sicherheit und Leichtigkeit der Schifffahrt ist eine häufige Fragestellung der WSV im Rahmen der Ausbauplanung von Binnenwasserstraßen. Dafür erforderliche Modelluntersuchungen werden im Referat Schifffahrt mithilfe fahrdynamischer Modellierungen mit dem Schiffsführungssimulator ANS6000 und/oder mit dem Fast-Time-Simulator FaRAO durchgeführt. Die Weiterentwicklung von parametrischen Berechnungsansätzen für komplexe Manöversituationen innerhalb der eingesetzten Methoden wird die Validität der fahrdynamischen Simulationen verbessern, sodass künftig weitestgehend auf eine Durchführung von aufwendigen Labor- und Naturuntersuchungen verzichtet werden kann. Die präzisere Vorhersage der Manöver bei Ein- und Ausfahrten von Schleusen und bei der Anfahrt von Anlegestellen sowie zur Befahrbarkeit von beschränktem Fahrwasser ermöglicht eine kompetente und effiziente Beratung der WSV durch die BAW.

Erweiterung und Überprüfung der Datengrundlage binnenschifffahrtsbedingter Schallemissionen

Veranlassung Im Rahmen von Planfeststellungsverfahren bei Neu- und Ausbauprojekten der Infrastruktur müssen Lärmimmissionsgutachten erstellt werden. Der prognostizierte Schiffschall an Verkehrswegen wird nach verkehrsträgerspezifischen Rechenvorschriften (Modelle) berechnet. Sie basieren auf Daten, die vor dem Hintergrund technischer Entwicklungen an Fahrzeugen bei Bedarf durch personal- und kostenintensive Messungen zu überprüfen sind; dies trifft auch auf die Binnenschifffahrt zu. Es sollte daher eine Möglichkeit geschafft werden, benötigte aktuelle Daten und Parameter automatisiert - und dadurch mit minimalem Personalaufwand - zu erfassen. Nur so kann sichergestellt werden, dass die für wissenschaftlich fundierte Begutachtungen notwendige Datengrundlage fortlaufend die in Deutschland fahrende Schiffsflotte abbildet. Die so erfassten Daten können zudem für Modellierungen zur Untersuchung verkehrsträgerübergreifender Minderungsmaßnahmen genutzt werden. Ziele - Quantifizierung von Schallemissionen und -immissionen von Binnenschiffen durch Messungen und Modellierungen - Überprüfung, Aktualisierung und Erweiterung der bestehenden Datengrundlage durch die Durchführung von automatisierten Messungen - Entwicklung eines Modells zur Ermittlung binnenschifffahrtsbedingter Luftschallemissionen und -immissionen für eine Vielzahl von Verkehrsgebieten und -situationen (z.B. Manöver, Liegeplätze, Häfen) - Aktualisierung der Berechnungsgrundlage ‘Anleitung zur Berechnung von Luftschallausbreitung an Wasserstraßen’ auf Basis des neu entwickelten Modells Alle Verkehrsträger - egal ob Straße, Schiene oder Wasserstraße - verursachen Lärm und können zu Belastungssituationen für Anwohnende führen. Im Rahmen des BMDV-Expertennetzwerks werden sowohl verkehrsträgerübergreifende als auch verkehrsträgerspezifische Lärmbelastungen quantifiziert und Minderungsmaßnahmen abgeleitet. Für beide Ziele ist es unerlässlich, zunächst die technologischen Innovationen im Bereich der Binnenschifffahrt (Motoren inklusive Antriebswellen, Ruderanlage und Rumpfdesign, Elektrifizierung) durch angepasste Modelle abzubilden und die hierfür notwendige Datenbasis aufzubauen. Automatisierte Messungen von Schiffsschall der Binnenschifffahrt erlauben den Aufbau einer umfassenden Datengrundlage für die Modellierung von Luftschallimmissionen an Wasserstraßen.

Disruptive modulare Architektur für agile, autonome Fahrzeugkonzepte - UNICARagil, Teilvorhaben: modulare Absicherung, IT Sicherheitsarchitektur, Bewegungsregelung und sicheres Anhalten, AUTOelfe

Konzeption und Umsetzung der modularen Absicherung: Die Absicherung erfolgt nicht wie üblich in Abhängigkeit der Integrationsstufen von Komponenten und Systemen mit einem Schwerpunkt auf dem Gesamtsystem. Stattdessen wird das Gesamtsystem in Module eingeteilt, welche individuell abgesichert werden. Der Parameterraum der einzelnen Module wird dadurch übersichtlicher und der Aufwand für Gesamtsystemtests reduziert. Schlussendlich sollen Updates der Module oder dessen Austausch möglich sein, ohne dass eine Absicherung des Gesamtsystems notwendig wird. Anforderungs-, Fähigkeiten- und Szenarien-Kataloge zur Absicherung: Die Absicherung erfolgt anhand eines Sicherheitsnachweises, indem fahraufgabenspezifische Anforderungen einer Route mit den Fähigkeiten des automatisierten Fahrzeugs abgeglichen werden. Dabei werden mehrere Anforderungs- und Fähigkeitslevel unterschieden, die zu einer Kategorisierung des Streckennetzwerks beitragen. Je nach Level werden entsprechende Testszenarien entwickelt, die nach erfolgreichem Testen eine Freigabe der verschiedenen Streckenabschnitte gewährleisten. Die unterschiedlichen Anforderungslevel der Streckenabschnitte lassen zudem eine graduelle Absicherung zu, sodass eine frühzeitigere Freigabe erfolgen kann. Konzeption und Umsetzung einer IT-Sicherheitsarchitektur: Nach dem Grundsatz 'No Safety without Security' werden basierend auf einer Bedrohungsanalyse informationstechnische Maßnahmen zur Abwehr von Angriffen auf das Fahrzeug und zum Schutz der Privatsphäre der Insassen angewendet. Konzeption und Umsetzung der Fahrdynamikzustandsschätzung: Bestimmt den momentanen Ist-Zustand der Fahrzeugbewegung mit bestmöglicher Güte: Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung in drei Dimensionen, Orientierung (Roll-, Nick-, Gierwinkel) und deren Rate (u.a. Gierrate) sowie die Koordinatensystemsbezüge, woraus sich auch der Schwimmwinkel ableitet. Konzeption und Umsetzung der Fahrdynamik- und Trajektorienregelung: Die zu entwickelnde Fahrzeugplattform verfügt über elektrische Radnabenantriebe, die es erlauben, Lenkwinkel und Antriebsmomente an den vier Rädern unabhängig voneinander vorzugeben. In Kombination mit den hohen maximalen Lenkwinkeln von bis zu 90° ist es möglich, Gierwinkel, Kurswinkel und Geschwindigkeit des Fahrzeugs unabhängig voneinander einzuregeln und daher mit konventionellen Fahrzeugen nicht darstellbare Manöver zu realisieren. Im Rahmen des Projekts wird eine Regelungsarchitektur entwickelt, die die Vorteile der neuartigen Fahrzeugstruktur ausnutzt und die automatisierte Bewegung des Fahrzeugs unter Beachtung von Komfort- und Sicherheitsaspekten sicherstellt. Konzeption und Umsetzung der Funktion Sicheres Anhalten: Die Funktion 'Sicheres Anhalten' ist in der Lage, die hochautomatisierten Fahrzeugausprägungen des Projekts UNICARagil jederzeit in einen sicheren Zustand zu versetzen. Sie dient als Rückfallebene für den automatisierten Betrieb im Fall von Degradationen wesentl. Fahrzeugkomponenten. (Text gekürzt)

AEROMET_UAV: Aufwertung und Erweiterung meteorologischer Datenerfassung durch Meteorologisches UAV, Teilvorhaben: Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

Im Rahmen des Projekts AEROMET-UAV soll miniaturisierte meteorologische Messtechnik von der TU Braunschweig weiterentwickelt und zusammen mit der Firma Exabotix in ein eigens entwickeltes Flugsystem implementiert werden, das meteorologische Informationen aus Radiosondierungen ergänzt. Neben Tests in Deutschland in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD) soll die Erprobung und erste wissenschaftliche Nutzung bis in Höhen von 10 km mit dem Alfred- Wegener-Institut (AWI) an der Neumayer-Station in der Antarktis durchgeführt werden. Die Aufgabe der TU Braunschweig ist die Zusammenstellung der Messtechnik und Datenerfassung, sowie die Aufbereitung der Messdaten für die Verwendung in meteorologischen Datenbanken. Dafür werden zunächst die Anforderungen an das Flugsystem, die Messtechnik und die rechtlichen Anforderungen zur Erlangung einer Aufstiegserlaubnis zusammengestellt. Darauf basierend wird ein Konzept für das Flugsystem mit Messtechnik entwickelt und Manöver sowie ein Sicherheitskonzept für den Einsatz erarbeitet. Die Schnittstellen zwischen Flugsystem und Messtechnik werden definiert und die Messtechnik wird mechanisch, elektrisch und datentechnisch an das Flugsystem angebunden. Spezielle Software zur Datenprozessierung wird angepasst. Es finden Flugtests statt. Das System kommt in Lindenberg (DWD) zum Einsatz und dann an der Neumayer-Station (AWI) in der Antarktis. Das Potenzial des Gesamtsystems sowie die Datenqualität und der Nutzen für meteorologische Messnetze werden analysiert. .

HyMOTT - Hydrodynamische Optimierung der Manövrierfähigkeit von Offshore Transport- und Transfersystemen, Vorhaben: Modellierung von Offshore - Transportsystemen im Kontext von Overset - Netzen - HyMOTT-MOTiON

Das beantragte Vorhaben befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung von Simulationswerkzeugen für die hydrodynamische Analyse und Optimierung von Hochseeschleppern zum Transport und der Installation von zukünftigen Offshore-Bauwerken. Ziel ist es, den Einsatzrahmen der Hochseeschlepper auch bei schwierigen Witterungsbedingungen auszuweiten und zu garantieren. Das beantragte Vorhaben der TUHH befasst sich mit der Weiterentwicklung und Anwendung von Simulationswerkzeugen zur effizienten und genauen Analyse der Wechselwirkungen zwischen den Manövrierorganen, den Propulsoren und dem Rumpf, die diese auch bei diesen Bedingungen hinreichend gut berücksichtigen. Grundlage der Entwicklung ist das FRESCO+-Verfahren, das eine hinreichende Genauigkeit zur Erfassung der vielfach dominierenden turbulenten, viskosen Phänomene bietet und Seegangseinflüsse ohne Einschränkung der Wellenlänge behandeln kann. Die für die Zielstellung notwendig hohe Recheneffizienz soll durch die Implementation parallel abzuarbeitender, dynamisch bewegter und überlappender unstrukturierter Rechengitter (Overset-Gitter) erreicht werden. Die Robustheit des Verfahrens wird durch eine implizite Kopplung der Komponenten-Rechengitter erreicht. Die Rechengitter der diskreten Bauteile oder Komponenten sind methodisch einfach, werden nur einmal generiert und können durch Überlagerung zu mehreren, alternativen Konfigurationen kombiniert werden. Das Verfahren wird bei der Simulation verschiedener Manöver validiert.

FHprofUnt 2013: Integrative Simulationsanwendung unter Beachtung von Trimm- und Tiefgangsänderungen zur effektiven Schiffssteuerung und Verbesserung der Handlungssicherheit in Gefahrensituationen (ISTTES)

Das übergeordnete Ziel des Projektes ist die Erhöhung der Schiffssicherheit und des Umweltschutzes durch Abschätzung/ Vorhersage des Spektrums verfügbarer manövriertechnischer Handlungsalternativen bei ungestörten und gestörten Zuständen des Schiffsbetriebes. Das Ziel soll durch die verbesserte Nach-/Abbildung der Auswirkungen von Trimm- und Tiefgangsänderungen (T&T-Änderungen) in der Simulation des Manövrier-/Bewegungsverhaltens von Schiffen realisiert werden. Die Modelle und Methoden sollen in bestehende, auf 'Fast Time Manoeuvring Simulation' (FTS) basierende Prädiktionslösungen integriert werden. Gegenstand des Projektes sind daher die Erforschung der tatsächlichen/genauen Auswirkungen von T&T-Änderungen auf das Manövrierverhalten sowie die Entwicklung und Untersuchung von Methoden zur Verbesserung von Bewegungs-/Simulationsmodellen für die studentische Aus- und die berufliche Weiterbildung und deren potentielle Übertragbarkeit in den realen Schiffsbetrieb. Die Bearbeitung soll in mehreren Phasen stattfinden, in denen, insbesondere in Abhängigkeit von zu definierenden Messkampagnen, Daten von Manövern mit verschiedensten T&T-Lagen ausgewählter Schiffe mit zweckmäßigen FTS-Methoden untersucht werden. Dazu müssen Simulatorschiffe erzeugt und anhand von Messungen getunt werden. In der 2. Phase sollen anhand von Messungen Modellanpassungen erfolgen. Abschließend werden methodische und didaktische Verfahren zur Nutzung in der Aus- und Weiterbildung entwickelt und getestet.

Entwicklung eines unbemannten Hubschraubers als umweltschonendes und abdriftminderndes Rebschutz-Applikationsgerät für den Steillagenweinbau, Teilprojekt 2

Das DLR, Institut für Robotik und Mechatronik übernimmt die Entwicklung eines Systems für hochpräzise Steuerung eines Hubschraubers. Dieses System soll in der Lage sein, den Hubschrauber entlang der Hänge auf einer vorgegebenen Trajektorie präzise zu führen und somit die Applikation von Pflanzenschutzmitteln auf Weinbergen zu ermöglichen. Die drei wichtigsten technischen Herausforderung dabei sind: Die Vermeidung der Kollisionen mit der Umgebung; die Realisierung einer Hochleistungsregelung des Hubschraubers um ein präzises Abfliegen der Trajektorien mit hochdynamischen Manövern sowie das Fliegen in Luftverwirbelung zu ermöglichen; die Realisierung der für die Applikation der Pflanzenschutzmitteln optimierten Flugprofile. Das DLR wird im Rahmen des Projektes eine entsprechende UAV-Plattform mit Sensorik und Elektronik ausrüsten . Damit werden die Entwicklung und Tests von Anfang an unter realistischen Bedingungen durchgeführt. Diese Plattform mit dem integrierten Steuerungssystem wird sowohl für die Versuche am DLR-Testgelänge als auch für die Versuche an den Weinbergen verwendet. Die Dynamik des Flettner-Hubschraubers unterscheidet sich deutlich von herkömmlichen Hubschraubern. Daher ist nur die Verwendung der Zielplattform für das Gesamtprojekt zielführend. Nach ersten Befliegungen der Weinberge zur Erzeugung von 3D -Karten können Flugversuche auf Testgeländen in der Umgebung des DLR stattfinden. In der Folge kann die Demonstration und Vermessung im Weinberg erfolgen.

PREMAN - Maßstabseffekte und Umwelteinflüsse bei der Vorhersage des Manövrierverhaltens seegehender Schiffe, Vorhaben: Verbesserung der Vorhersage des Manövrierverhaltens von Schiffen auf der Basis von virtuellen gefesselten Versuchen CAPTIVMAN

Durch die TU Berlin soll im Teilvorhaben CAPTIVMAN die Manövrierprognose basierend auf einem mathematischen Modell und virtuellen CPMC-Tests weiterentwickelt und validiert werden. Die Berücksichtigung der Rollebewegung während des Manövers sowie die detalliertere und umfassendere Einbeziehung von Umwelteinflüssen wie Wind, Strömung und Seegang stellen im Vergleich zum derzeitigen Stand der Technik einen deutlichen Fortschritt dar. Um die Qualität virtueller CPMC-Tests zu verbessern, wird das verwendete Verfahren um die Berücksichtigung der freien Oberfläche und die Veränderung der Schwimmlage erweitert. Die verwendete Vorgehensweise wird in Verbindung mit RANSE-Berechnungen für die Großausführung weltweit erstmals eine Prognose direkt für die Großausführung ermöglichen. Diese Weiterentwicklungen gestatten in Verbindung mit vorgesehenen, in der Durchführung verbesserten, Manövriermodellversuchen sowie Großausführungsversuchen einen wichtigen Beitrag zur Klärung der Maßstabseffekte bei der Manövrierprognose. Zur Erreichung der Ziele sind umfangreiche theoretische und experimentelle Untersuchungen vorgesehen. Alle Untersuchungen werden für ein Einschrauben- sowie für ein Zweischraubenschiff durchgeführt, um den Einfluss des unterschiedlichen Propulsionskonzeptes auf die Maßstabseffekte zu erfassen. Die Manövriermodellversuche, Großausführungsmessungen und numerischen Simulationen werden um Messungen von Ruderkräften und Propellerquerkräften im K27 der TU Berlin ergänzt. Durch die TU Berlin kann vor allem eine wissenschaftliche Verwertung der Ergebnisse erzielt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse zur verbesserten Manövrierprognose stehen im Anschluss an das Forschungsvorhaben für die Lehre und weitere Forschungstätigkeiten zur Verfügung. Die an der TU Berlin gewonnenen Erkenntnisse werden darüber hinaus im Rahmen von Auftragsforschung und Gutachtertätigkeiten des Fachgebietes direkt an die deutsche Schiffbauindustrie sowie Schiffbauzuliefererindustrie weitergegeben.

Strahlenmessungen in Tschornobyl 2022

Ein Greenpeace-Team unter deutscher Leitung war in Tschornobyl unterwegs, um die Auswirkungen der militärischen Aktivitäten vor Ort abzuschätzen - und welchen potenziellen Gefahren die Menschen und die Umwelt ausgesetzt waren. Die Einschätzung der Experten vor Ort: Die Internationale Atomenergiebehörde (IAEO) verharmlost die atomaren Risiken durch die russische Invasion um die AKW-Ruine von Tschornobyl.

OPTEL - Windstaustudien und Entwicklung eines operationellen Tideelbemodells - Teilprojekt: Entwicklung eines operationellen Tideelbemodells auf der Basis des hydrodynamisch-numerischen Modellverfahrens (BSHcmod) für die Nordd- und Ostsee (OPTEL-A)

Bedeutung des Projekts: Die Elbe, besonders die tidebeeinflusste Unterelbe, ist ein stark frequentierter Schifffahrtsweg. Aufgrund des Tideeinflusses benötigen Schiffe, die von der Nordsee kommend die Elbe nach Hamburg befahren, permanente Vorhersagen des Wasserstandes. Für bestimmte Manöver im Hafen (z. B. Eindocken von Schiffen, Wenden sehr großer Schiffe) sind zusätzlich detaillierte Kenntnisse der tideabhängigen Strömungsverhältnisse wichtig. Bei extremen Ereignissen wie Sturmfluten, sehr hohen oder auch sehr niedrigen Oberwasserzuflüssen in die Tideelbe sind räumlich und zeitlich detailliertere Vorhersagen von Wasserstands- und Strömungsverhältnissen besonders wichtig. Diese Informationen ermöglichen zusätzlich zu einer verbesserten Beratung der Schifffahrt und der Wasserwirtschaft in den Elbemarschen auch die Möglichkeit, bei Havarien im Bereich der Elbe die Öl- bzw. Schadstoffbekämpfung effizienter zu betreiben. Die Sturmfluten im Winter 2006/2007 - insbesondere diejenige am 1. November 2006 - zeigten wieder deutlich, dass immer noch ein hoher Bedarf nach einer verbesserten Sturmflutvorhersage für die Elbe und die anderen Ästuare der deutschen Nordseeküste besteht. Durch die Kopplung numerischer Modelle der Tideelbe mit hydrodynamisch-numerischen Vorhersagemodellen (HN-Modell) der Nordsee und Deutschen Bucht soll im Rahmen dieses Forschungsvorhabens gezeigt werden, dass mit numerischen Modellen und heutiger Rechnerleistung räumlich und zeitlich hochaufgelöste operationelle Wasserstands- und Strömungsvorhersagen für die Elbe möglich sind. Damit kann dann das Projekt OPTEL als Pilotstudie für Jade-Weser und Ems angesehen werden. Gegenwärtiger Wissensstand: Die hydrodynamischen Verhältnisse in der Elbe sind vergleichsweise gut untersucht. So erfolgten die letzten größeren Fahrrinnenanpassungen nach eingehenden wissenschaftlichen Untersuchungen der BAW zu etwaigen Folgen für die Strömungs- und Wasserstandsverhältnisse. Hierfür sowie in verschiedenen Forschungsprojekten wurden unterschiedliche Modelle der Elbe entwickelt. Grundsätzlich sind zwar die physikalischen Ursachen für die Stauentwicklung im tidebeeinflussten Bereich der Elbe bekannt. Trotzdem liegen nach wie vor keine vollständigen Kenntnisse über den Ursache-Wirkungszusammenhang der Stauentwicklung in der Elbe vor und die damit resultierende Höhendifferenz zwischen Cuxhaven und Hamburg. Demzufolge muss immer noch, sowohl bei der numerischen Simulation als auch bei der empirischen Vorhersage, mit Fehlvorhersagen im Bereich von Dezimetern gerechnet werden. Ziel des Projektes ist es, herauszuarbeiten, welche Einflüsse den Windstau entlang der Elbe in welchem Maße beeinflussen. Bei Wasserstandsvorhersagen für die Elbe in Extremsituationen wie Sturmfluten werden zur Zeit auch empirische Verfahren eingesetzt. Die dabei verwendeten Ansätze werden auf der Grundlage langjähriger Beobachtungen gewonnen. usw.

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