Fagligt talt: Dansk forskning danner grundlaget for fremtidens skibsdesign

14. november 2022 kl. 14:13
Fagligt talt: Dansk forskning danner grundlaget for fremtidens skibsdesign
Illustration: Mærsk.
Artiklen er ældre end 30 dage

Skibe står for 90 procent af den internationale transport og ca. 2,5 procent af den globale CO2 udledning. Med et øget globalt fokus på energieffektivisering samt nye regulativer fra IMO er der behov for nye og forbedrede metoder, hvis den danske maritime sektor skal forblive ledende indenfor skibsmodellering.

Henrik Mikkelsen er Partner & Senior Fluid Mechanics Specialist i Aerotak. Ph.d. fra DTU Mekanik og står bag afhandlingen: *Numerical study of ship performance in calm water and i waves*. Illustration: Aerotak.


Nyeste dansk forskning inden for området har lykkes med at udvikle præcise numeriske beregningsværktøjer, der kan hjælpe skibsingeniører med at designe skibe til konditioner, der er tættere på de operationsprofiler, skibet vil operere i.

Traditionelt optimeres skibsskrog til at sejle i fladt vand med fuld last og ved maksimal hastighed. I de seneste årtier har dette kun udviklet sig i mindre grad.

Det er kun få skibe, der i dag designes til en operationsprofil med forskellige dybgange og hastigheder, der matcher skibets aktuelle operationsprofil.

Visualisering fra CFD beregning af interaktion mellem skibsskrog og propeller. Det kan ses at propelleren danner kraftige hvirvler der rammer roret. Illustration: Aerotak.

På trods af denne udvikling, er der stadig betydelige forskelle på de ideelle forhold skibene optimeres til og de virkelige konditioner (bølger, vind, strøm, ruhed af skrog mv.), skibet opererer i.

Skibe sejler ikke kun i fladt vand men ofte i store bølger, der har en indflydelse på skibets brændstofforbrug. Hvis skibsskroget designes til også at have minimal modstand i bølger, fås et mere energieffektivt skib, end hvis det kun designes til fladt vand.

Beregningsværktøjer er en udfordring

Optimering af skibsskrog er en kompleks proces. En af de største udfordringer i at designe skibe til virkelige forhold er metoderne og beregningsværktøjerne, hvorfor formålet med studiet var at udvikle disse. Forskningen blev udført i to hovedfaser.

Afhandlingen består af tre videnskabelige artikler:

  • Den første artikel sammenligner effektkurverne fra Computational Fluid Dynamics (CFD)-beregninger i fuldskala med modeltanksforsøg og højkvalitets søprøvemålinger fra seks søsterskibe.
  • Den anden artikel præsenterer et systematisk sammenligningsstudie af bølgemodstanden og bevægelserne af KCS containerskibet i forskellige bølgeretninger.
  • I den tredje artikel studeres hvordan sejlads i forskellige bølgeretninger påvirker vandtilstrømningen til skibets skrue.
    De tre artikler viser at CFD beregninger kan levere nøjagtige og brugbare resultater, når CFD modellen opsættes, verificeres og valideres minutiøst. Resultaterne fra de tre artikler viser at numeriske værktøjer har et stort potentiale som værktøj, når skibe skal designes til de forhold, skibene kommer til at operere i. Baggrunden for afhandlingen beskrives som, at traditionelt er alle skibsskrog optimeret til ideelle forhold, hvor skibet sejler fuldt lastet i stille vand med maksimal hastighed. I det seneste årti er nogle skibe blevet designet til en operationsprofil med forskellige dybgange og hastigheder. Der er dog stadig stor forskel på de ideale forhold skibe er designet til og de reelle forhold (bølger, vind, strøm, ruhed af skrog etc.) skibet vil operere i. Formålet med afhandlingen var at udvikle nøjagtige numeriske beregningsværktøjer, der kan hjælpe skibsdesignere med at designe skibe til forhold, der er tættere på de forhold, skibet vil operere i.

Første fase omhandlede at sammenligne effektkurver fra fuldskala CFD beregninger (Computational Fluid Dynamics), modeltanksforsøg, og højkvalitets sø-prøvemålinger fra seks søsterskibe.

Effektkurver bruges som mål for skibes fremdrivningsevne og viser hvilken effekt (kW), det kræver at sejle forskellige hastigheder. Der er lavet utallige sammenligninger af CFD-beregninger i modelskala og modeltanksforsøg, men meget få studier har sammenlignet CFD-beregninger i fuldskala og søprøvemålinger.

Artiklen fortsætter efter annoncen

Skalaen på modellen har en stor indflydelse, da strømningen i fuldskala vil være mere turbulent sammenlignet med modelskala. Reynoldstallet bruges i fluidmekanik til at forudsige om en strømning er laminar eller turbulent. I modelskala vil Reynoldstallet være i størrelsesordenen 10⁶ sammenlignet med omkring 10⁸ -10⁹ i fuldskala, altså 100-1000 gange større i fuldskala.

Sammenligningen viste, at hvis CFD-beregninger i fuldskala skal være nøjagtige og dermed kunne bruges som et værktøj til at bestemme skibets reelle modstandsdygtighed, skal effekten af skrogets ruhed fra maling og begroning inkluderes i beregningen.

Ruhed påvirker strømningen ved at øge turbulensen helt tæt på skroget. Traditionelt benyttes i CFD en empirisk formel til at estimere effekten af ruhed. Studiet viste, at nøjagtigheden af CFD-beregningerne øges signifikant, hvis ruheden af skroget og propelleren i stedet inkluderes ved at modificere de såkaldte vægfunktioner, som bruges til at simulere den del af strømningen, der ligger indeni det turbulente grænselag mellem skrogsiden og det omkringliggende vand.

Skibe optimeres til bølger

Anden del af forskningen drejede sig om bølger og forskellene ift. optimering af skibe i fladt vand. Som tidligere nævnt er langt størstedelen af verdens skibsflåde optimeret til at sejle i fladt vand, men det er de færreste skibe, der udelukkende sejler i fladt vand.

Artiklen fortsætter efter annoncen

Det har betydning for f.eks., hvordan skibets propeller opererer. I dag antager den maritime sektor, at strømningsfeltet, der møder propelleren ikke varierer i tid og er symmetrisk omkring det vertikale plan, der flugter med skibets fremadrettede akse. Med andre ord er strømningsfeltet ens på højre og venstre side af skibet.

Det udførte studie viser dog, at bølger har stor betydning for hastighedsfordelingen af vandet, der rammer propellerbladene. Når skibet på grund af bølger bevæger sig op og ned, vil der være varierende høje og lave hastigheder nær propellerens rotationsakse. Hvis der også tages højde for bølger, der kommer fra siden og bagfra, har dette en endnu større betydning.

For hvert tidskridt kan den gennemsnitlige hastighed (eller snarere medstrømskoefficient) beregnes, og disse kan midles over en hel periode. Beregningerne viste, at medstrømskoefficienten kan variere op til 39 procent ift. den gennemsnitlige medstrømskoefficient over hele perioden for den studerede bølge.

FAGLIGT TALT

Et artikelformat i Ingeniøren og Teknologiens Mediehus' øvrige medier, hvor forskere og specialiserede fagfolk – nøgternt – formidler og forklarer en specifikt teknisk eller naturvidenskabelig problemstilling samt ny viden om tilhørende løsninger.

Formålet er at give vores læsere mere viden om forskning og udvikling inden for deep tech eller deep science ved siden af den journalistiske behandling af tekniske problematikker. Faglig talt kan indeholde faglige vurderinger, men er fri af partipolitiske synspunkter. Se andre artikler i kategorien her.

Dette har fx betydning for chancen for kavitation. Når der er flere zoner med lave hastigheder, resulterer det i et lavere tryk på propellerbladet, hvilket kan få vandet til at koge lokalt. Kavitation kan give rystelser i skibet, få propelleren til at erodere samt reducere virkningsgraden af propelleren.

Dette er meget uhensigtsmæssigt, og viser at man burde tage højde for vandtilstrømningen fra bølger, når man designer skibspropellere.

Dette gøres ikke i dag, men hvis denne nye viden bliver brugt i designprocessen i det maritime Danmark, kan det være med til at sikre at Danmark beholder sin førertrøje indenfor global skibsdesign. Derudover kan vi også reducere skibenes brændstofforbrug ved at designe skibe, der er optimeret til virkelige forhold.

Dette er et vigtigt og nødvendigt tiltag for at sikre, at vi når EU’s klimamål.

Ingen kommentarer endnu.  Start debatten
Debatten
Log ind eller opret en bruger for at deltage i debatten.
settingsDebatindstillinger