Hydrodynamics & fluid dynamics

Hydrodynamics & fluid dynamics

Researchonderwerpen TKI Maritiem op het gebied van 'Hydrodynamica':
1. Hydrodynamica op het gebied van weerstand en voortstuwing van schepen
2. Hydrodynamica op het gebied van zeegangs- en manoeuvreergedrag van schepen
3. Hydrodynamica op het gebied van offshore-installaties, werktuigen en operaties

1. Hydrodynamica op het gebied van weerstand en voortstuwing van schepen


Hoewel het specifiek brandstofgebruik van transport over water per ton lading nog steeds het laagste is van alle vervoersmodaliteiten, is er nog de nodige ruimte voor verbetering op het gebied van weerstand en voortstuwing van schepen. Het gaat hier niet alleen om het verlagen van het brandstofverbruik maar ook om de reductie van de daaraan gerelateerde uitstoot van CO2, NOx en SOx.

 

Hoe lager de scheepsweerstand (zowel de wrijvingsweerstand als de golfmakende weerstand) en hoe efficiënter de omzetting van mechanische energie via scheepsschroeven of andere middelen, zoals waterjets, in stuwkracht, des te lager de specifieke energiekosten (ton brandstof per ton.mijl transport). Om de transportkosten op een zo laag mogelijk niveau te brengen, brengt een uit oogpunt van weerstand en voortstuwing efficiënter scheepsontwerp ook lagere investeringskosten (kleinere machine-installatie) en als gevolg daarvan minder gewicht- en ruimtebeslag en daardoor ook een grotere transportefficiency met zich mee.

 

Kostenverlaging is hierbij niet de enige drijfveer, maar waar het gaat om de belasting van het milieu, ook om druk vanuit de samenleving die zich via de politiek vertaald ziet in overheidsmaatregelen. Vanuit IMO wordt inmiddels geëist het ontwerp te toetsen aan de hand van de z.g. Energy Efficiency Design Index (EEDI) en ook de EU stelt steeds verdergaande milieueisen, met name waar het om de binnenvaart gaat.

 

Naast emissies naar het mariene milieu vanuit de energieopwekking aan boord van schepen zijn ook geluidsemissies van belang, hierbij speelt ondermeer schroefcavitatie een rol, terwijl cavitatie, samen met ventilatie (luchtinslag), ook een invloedsfactor is ten aanzien van de voortstuwingsefficiency. Daarnaast leiden sommige vormen van cavitatie tot materiaalerosie.

 

Vanouds werd bij het scheepsontwerp het benodigde schroefvermogen deels theoretisch en deels empirisch bepaald met behulp van vergelijkingsschepen en geverifieerd met behulp van modelonderzoek, zoals dat al jaar en dag bij instituten als het MARIN plaatsvindt. Dit bood binnen het commercieel ontwerpproces weinig mogelijkheden voor optimalisatie. Slechts als dit een onbevredigende snelheidsvoorspelling opleverde, dan werden verbeteringen gezocht.

 

Alleen door seriematig onderzoek met modelvariatie ontstond een min of meer wetenschappelijke basis die de ontwerper initieel houvast bood. Zo is de Serie 60 ontstaan.

 

Tegenwoordig beschikt de sector voor het onderzoeken van systeemgedrag over inmiddels redelijk betrouwbare theoretisch gefundeerde simulatietechnieken, zoals Computational Fluid Dynamics (CFD); althans, er zijn grote stappen gezet in de ontwikkeling van op commerciële schaal toepasbare CFD technieken, waarmee beter inzicht kan worden gekregen in de vormaspecten, die weerstand veroorzaken en de mechanismen die daarbij een rol spelen.

 

Dit is echter tot nu toe vooral kwalitatief en maar zeer beperkt kwantitatief. En waar het gaat om wat zich in viskeuze grenslagen afspeelt en hoe dat kan worden beïnvloed, zoals door het toepassen van luchtsmering, is nog onvoldoende kennis ontwikkeld. Zeker wanneer het schip zich ook nog eens in zeegang voortbeweegt. Ook van de invloed van appendages, zoals schroeven en roeren en de wisselwerking hiervan met de scheepsromp is nog weinig fundamenteel in kaart gebracht.

 

Dit levert vele onderzoeksuitdagingen op, ondermeer:
• Viskeuze CFD berekening
• Optimalisatietechnieken van romp en appendages
• Fundamenteel inzicht in de werking van luchtsmering en de invloed hierop van omgevingsfactoren, zoals golven.
• Voorspellingsmodellen voor luchtsmering
• Brandstofbesparing door slim operationeel gebruik
• Voorspelling van geluidsproductie van voortstuwers

2. Hydrodynamica op het gebied van zeegangs- en manoeuvreergedrag van schepen


Bij het scheepsontwerp wordt doorgaans uitgegaan van een schip dat zich niet in golven voortbeweegt, maar louter in vlak water vaart, terwijl van dat laatste slechts bij uitzondering sprake is. Golven hebben invloed op bijna alle vaareigenschappen en vooral ook op de operationele activiteiten die met het schip worden uitgevoerd, dit laatste geldt in het bijzonder voor werkschepen.

 

Golfkrachten hebben effect op de beweging in alle 6 vrijheidsgraden van het schip; beïnvloeden de scheepssnelheid in negatieve zin. Zeker bij hoge golven en hoge vaart levert worden versnellingen ervaren waar een mens niet op is gebouwd, waardoor deze al snel beduidend minder of helemaal niet meer presteert en doen het schip soms zodanig bewegen dat er niet meer veilig kan worden gewerkt. Golfkrachten kunnen daarbij ook de constructie beschadigen, zowel door overbelasting als door vermoeiing.

 

Kortom kennis van het zeeganggedrag van een (snelvarend) schip, hoe dat kan worden beïnvloed en hoe het schip daarvoor kan worden ontworpen is van het grootste belang voor het duurzaam veilig en economisch varen en werken met schepen.

 

Daarnaast is er ook nog een kennisbehoefte op het gebied van het manoeuvreergedrag van schepen, met name waar het gaat om beperkt vaarwater en de interactie met andere schepen.

 

T.a.v. het onderzoek geldt, dat dit weliswaar een theoretische basis kent, maar nog steeds vooral ook experimenteel van aard is, waarbij modelonderzoek onontbeerlijk is. Maar ook hier blijkt men steeds beter in staat om aan de hand van numerieke modellen het zeegangs- en manoeuvreergedrag te voorspellen en zodoende beter inzicht te verwerven in eerder als onverklaarbaar benoemde verschijnselen, wat het mogelijk maakt om moeilijke operaties beter beheersbaar te maken.

 

Dit levert vele uitdagingen op, ondermeer:
• CFD simulatie waarbij ook de viskeuze effecten van zeegang worden meegenomen
• Bewegingscompensatie t.a.v. zowel de slinger- als stampbeweging, inclusief de numerieke modellering daarvan
• 3D modellering effect van door golven veroorzaakte luchtinsluiting
• Interactie van door golven geëxciteerde vloeistof met scheepsconstructie
• Voorspellingsmodel complexe en extreme golven
• Risicomodellen manoeuvrerende schepen in beperkt vaarwater
• Kennis van interactie van passerende en oplopende schepen in beperkte omgeving.

3. Hydrodynamica op het gebied van offshore-installaties, werktuigen en operaties


Met name bij het installeren en later weer ontmantelen van offshore-installaties, maar ook bij dagelijkse bevoorradingsoperaties daarvan, vormen door golven veroorzaakte bewegingen een beperkende factor. Daarnaast vinden offshore operaties, met name t.b.v. het winnen van olie en gas en binnenkort ook van zeldzame aardmetalen, op steeds dieper water (in de orde van 3000 mtr en meer) en recent ook in Arctische gebieden plaats. Dit stelt steeds hoger eisen aan de constructies en de daarbij toegepaste materialen, waarvoor de huidige kennis nog ontoereikend is. Dit geldt in hoge mate ook voor de belastingen, die vanuit de omgevingscondities op de constructies inwerken, zoals trillingen op risers (slanke pijpverbindingen met de zeebodem) veroorzaakt door wervels en andere belastingen.

 

Naast de winning op zee van fossiele energie zal er ook meer en meer energie gewonnen moeten worden uit golven en getijdenstromingen, wat leidt tot een nieuwe kennisbehoefte. Dit geldt ook t.a.v. de problematiek van windmolens op zee, die ook op steeds dieper water worden geplaatst en steeds groter worden. Bij deze problematiek is niet alleen sprake van belastingen vanuit de zee, maar ook vanuit de lucht, alsmede vanuit onderlinge interactie.

 

Dit levert vele uitdagingen op, ondermeer:
• Multi body dynamica, voor operaties zowel boven als onderwater, inclusief diepzee.
• Vortex-induced Vibrations (VIV) en Vortex-Induced Motions (VIM) bij slanke constructies
• Numerieke modellen voor CFD simulatie van risers
• Materiaalkunde t.b.v. diepzee constructies en Arctische omstandigheden
• Golfenergie modellen
• Geïntegreerde aero- en hydrodynamische mathematische modellen.


Documenten


De zichtbaarheid van documenten is afhankelijk van uw toegangsrechten.

 

© Copyright MKC - 2021