Von der Windmessung an Bord zur experimentellen Untersuchung im Windkanal – neue Möglichkeiten für maritime Anwendungen
Dr.-Ing. Jochen Schoop-Zipfel, Hector Yaker, Jannike Schoop, Ingenieurbüro Dr.-Ing. Schoop GmbH, Hamburg; Florentin Edler, SAL Engineering GmbH, Hamburg; Dr. Ginevra Rubino, Moustafa Abdel-Maksoud, Technische Universität Hamburg
Windbedingungen sind ein entscheidender Einflussfaktor für die Planung und Durchführung von Schwerlast-und Installationsoperationen auf See. Neben mittleren Windgeschwindigkeiten spielen insbesondere kurzfristige Änderungen und zeitliche Schwankungen eine wichtige Rolle für die Festlegung operativer Grenzen, die Bewertung von Sicherheitsreserven und die Entscheidungsfindung während laufender Einsätze.
Voraussetzungen für eine fundierte Bewertung sind die kontinuierliche Erfassung und verständliche Darstellung der Windverhältnisse direkt an Bord des Schiffes.
Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Vorhabens AeoluS wurde in enger Zusammenarbeit mit SAL Engineering ein System zur schiffsbasierten Erfassung, Visualisierung und Analyse von Winddaten entwickelt. Die Windmessungen erfolgen an Bord des Schwerlastschiffes MV Lone während des regulären Schiffsbetriebs. Mehrere Windsensoren sind in das Bordnetz integriert und über das Prozessleit- und Datenerfassungssystem WinErs angebunden, das auf einem dedizierten Server an Bord installiert ist. Die Anbindung der Sensorik erfolgt über das NMEA-Protokoll sowie über erweiterte serielle Schnittstellen, die den Datentransfer über TCP/UDP ermöglichen.
Ein zentrales Element des Systems ist die webbasierte grafische Benutzeroberfläche von WinErs, die auf allen Rechnern im Schiffsnetzwerk verfügbar ist. Sie erlaubt dem Bordpersonal und den beteiligten Fachabteilungen, aktuelle und historische Winddaten in Echtzeit darzustellen und auszuwerten. Zeitverläufe, statistische Kenngrößen und richtungsabhängige Darstellungen stehen unmittelbar zur Verfügung und unterstützen damit die operative Entscheidungsfindung während windlimitierter Operationen. Die Winddaten werden kontinuierlich archiviert und können bei Bedarf über die bestehende Satellitenverbindung an Land übertragen und weiter analysiert werden.
Auf Basis der erfassten Messdaten wurden zeitvariable Windprofile abgeleitet, die reale Betriebsbedingungen widerspiegeln. Diese Profile dienen nicht nur der nachträglichen Analyse, sondern auch als Eingangsdaten für experimentelle Untersuchungen. Hierfür wurde die Steuerung des großen Niedriggeschwindigkeits-Windkanals an der Technischen Universität Hamburg grundlegend überarbeitet. WinErs wurde als zentrales Steuerungs-und Modellierungssystem in die bestehende Windkanalinfrastruktur integriert.
Ein mechanistisches Modell beschreibt das dynamische Verhalten des Windkanals einschließlich Antriebsdynamik, Beschleunigungsbegrenzungen und Verzögerungseffekten der Strömung in der Messstrecke. Darauf aufbauend wurde ein erweitertes Steuerungskonzept umgesetzt, das die Vorgabe beliebiger zeitabhängiger Windprofile wie Böen erlaubt. Durch die Kombination des physikbasierten Modells mit datengetriebenen Lernverfahren kann die Windgeschwindigkeit in der Messstrecke gezielt und reproduzierbar eingestellt werden, wobei die physikalischen Grenzen des Windkanals – insbesondere maximale Windgeschwindigkeit und Beschleunigung – explizit berücksichtigt werden.
Durch diese Weiterentwicklung ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten des Windkanals. Neben klassischen stationären Untersuchungen können realistische, zeitvariable Windbedingungen anhand von Daten aus dem Schiffsbetrieb nachgebildet werden. Dies eröffnet neue Perspektiven für experimentelle Studien, etwa zur Bewertung operativer Entscheidungsstrategien, zur Untersuchung transienter Lastsituationen oder zur Validierung numerischer Modelle unter realitätsnahen Randbedingungen.
From on-board wind measurement to experimental testing in the wind tunnel – new possibilities for maritime applications
