Skipets hydrodynamikk med Shape Maker.

Skrogformen er svært subjektiv. Uansett vurderer vi den i form av liker/misliker eller pen/ikke pen. I selve designprosessen vurderes selvsagt et mye større antall parametere som påvirker fartøyets oppførsel til sjøs. En av dem, som direkte påvirker skrogformen, er fartøyets hydrodynamiske vannmotstand. Selvfølgelig er enhver skipsreder interessert i høyest mulig effektivitet. En reduksjon på 10 % i skrogets hydrodynamiske vannmotstand gir betydelige drivstoffbesparelser. Gitt at fartøyet opererer i 15–20 år, vil disse besparelsene være enorme. I tillegg til å redusere drivstoffkostnadene under fartøyets drift, reduseres også utslippet av skadelige stoffer til atmosfæren. Å redusere skrogets vannmotstand bidrar dermed også til å bedre miljøsituasjonen.

Modellforsøk av skrogformen i tank er fortsatt den mest nøyaktige metoden for å bestemme de hydrodynamiske egenskapene til skroget. Til tross for automatisering av modellproduksjon på CNC-maskiner, er dette en lang, arbeidskrevende og kostbar prosess. Motstand mot fartøyets bevegelse i vann, optimal propellytelse, skrogadferd i bølger, hensyn til vindlast, optimal plassering av slingrekjøler (bilge keels), og mye annen informasjon kan innhentes etter gjennomføring av modellforsøk.

Tanktesting (modellforsøk i slepetank).

Samtidig blir metodene for numerisk modellering av et skrogs oppførsel i vann stadig forbedret, og kanskje vil de etter hvert helt erstatte modellforsøk. Fremgangen innen numeriske metoder for å modellere skipets oppførsel i vann avhenger av bruk av kraftigere prosessorer og mer minne for mer nøyaktige beregninger. Utviklingen av skybasert databehandling har gitt et sterkt løft for bruken av numeriske metoder. Et stort antall spesialiserte skydatabehandlingssentre på markedet har gjort denne tjenesten mer tilgjengelig, og prisene er rimelige ikke bare for store designkontorer, men også for små selskaper. Nå tar det i gjennomsnitt 1–2 dager med beregninger for å få et resultat. Du kan alltid fremskynde beregningsprosessen ved å koble til nye prosessorer for beregningen.

CFD-test for samme modell som vist ovenfor.

Nøyaktigheten av numerisk simulering av strømningen rundt et skrog avhenger selvsagt ikke bare av datakraften som brukes, men også av å ta hensyn til alle aspekter ved strømningen i en beregningsmessig matematisk modell. Riktig innstilling av en matematisk modell krever ikke bare kunnskap om den fysiske naturen til prosessen som modelleres, men også noen forundersøkelser for å fastslå verdiene til parametrene som beskriver modellen mest nøyaktig. Bare et stort selskap kan utføre slike beregninger på egen hånd. De fleste designkontorer bruker tjenestene til spesialiserte CFD-beregningsfirmaer.

CFD-resultater for rask hurtigbåt i Shape Maker.

For å oppsummere det ovennevnte kan vi fastslå følgende betingelser for bruk av resultatene fra databeregninger i designprosessen:

-Resultatene av beregningene kan være forskjellige fra resultatene av modellforsøkene, men visuelt (fremstillingen av bølgeoverflaten og posisjonen til strømlinjene rundt skroget) stemmer de ganske nøyaktig overens.

-Forbedring av beregningsresultatene vil utvilsomt forbedre resultatene av strømningen rundt et reelt fartøy.

-Formen på bølgeoverflaten, plasseringen av strømlinjene og trykkfordelingen rundt skroget er troverdige og utgjør startdataene i optimaliseringsprosessen.

-Nøyaktigheten av beregningen avhenger svært mye av nøyaktigheten til representasjonen av skipsskrogets overflate. Beregningene utføres på en fin tesellering av beregningsnettene, og enhver overflatedefekt kan endre strømningsmønsteret rundt skroget betydelig.

-Etter min mening er resultatene av databeregninger mye mer informative sammenlignet med resultatene fra modellforsøk. For eksempel er fargevisualiseringen av den dynamiske trykkkomponenten svært informativ for studiet av strømning. Strømlinjer er også mer informative. Muligheten til å beregne flere forskjellige overflatealternativer på relativt kort tid gir også ubestridelige fordeler sammenlignet med å optimalisere skroget i forsøkstanken.

Faktisk er optimalisering av fartøyets overflate på en datamaskin praktisk talt ikke forskjellig fra optimalisering i tanken. Basert på testresultatene gjøres endringer i skrogformen, og testene gjentas én gang til. Den eneste forskjellen er at det er mye enklere og raskere å endre en datamodell enn en fysisk modell som brukes til tanktesting. Beregningen krever heller ikke store tids- og kostnadsmessige ressurser sammenlignet med å kjøre modellen i tanken og behandle resultatene.

Eksempel på trykkfordeling

Shape Maker har for øyeblikket ingen modul for hydrodynamiske beregninger. For å utføre slike beregninger sendes overflatemodellen til systemer for hydrodynamiske beregninger. I så fall kreves det som regel ingen ytterligere behandling av modellen. Resultatene av beregningene kan lastes inn i Shape Maker som en veiledning for påfølgende omforming av overflaten. For øyeblikket kan resultatene av beregninger utført i Open FOAM og Fine Marine Numeca Inc. lastes inn i Shape Maker. Dette gjør det mulig å fremskynde prosessen med å endre overflateformen for den nye iterasjonen betydelig.

Selvfølgelig krever overflateoptimalisering noe kunnskap og erfaring på dette området. Men samtidig er det mulig å oppnå ganske gode resultater. For fortrengningsfartøyer med Froude-tall 0,2–0,3 kan bølgemotstanden utgjøre opptil 50 % eller mer. Derfor kan riktig valg av form på forbaugbulben og forskipet som helhet gi en reduksjon i motstand på størrelsesorden 10–15 %.

Formen på akterskipet bidrar også betydelig til motstanden. Formen på hekken er også viktig for å sikre en god kjølvannsfordeling (wake distribution). Dette forbedrer fremdriftsegenskapene til propulsjonsenheten betydelig.

Som regel, etter å ha mottatt beregningsresultater for skroget, skilles områder med positive og negative komponenter av dynamisk trykk. I området med positivt trykk oppstår bølgetoppen, i området med negativt trykk – bølgebunnen. Disse områdene påvirker også retningen til strømlinjene. Oppgaven er å minimalisere trykkekstremene og dermed redusere bølgedannelsen.

Ideelt sett bør strømlinjene omslutte skroget jevnt, uten å feste seg i områder med positivt trykk og uten å løsne i områder med negative verdier av den dynamiske trykkkomponenten. Dette oppnås ved en lokal endring av overflateformen. Hvis det for eksempel er et område med lokal flateutflatting på overflaten – for eksempel der spantene går over i en flat side – oppstår et område med negativt trykk. I dette området dannes en dypere bølgebunn som går over i en høyere bølgetopp i området med den flate siden. Dette øker vannmotstanden og påvirker strømningen rundt akterskipet negativt. Det ser ut som om skipet ror med en bølge på skulderen. En slik bølge kan kompenseres ved bedre utjevning av overflateformen i området, samt ved å skape en kompenserende bølge med baugbulben. Trykkfordelingen på skroget viser oss med andre ord feilene vi har gjort i design og utjevning av skroget.

Optimalisering av forskipet på et fiskefartøy. Blått område – negativt dynamisk trykk, rødt – positivt.