Volupe logo

Blog berichten Volupe

Scheepsstabilisatoren dempingseffect

Het simuleren van beweging als reactie op krachten uitgeoefend door stroming is een complexe en vaak rekenintensieve taak. Gelukkig kunnen wij in Simcenter STAR-CCM+ gebruik maken van de DFBI (Dynamic Fluid Body Interaction) module om de beweging van starre lichamen, zoals schepen, te simuleren. Zonder moeite kunnen wij een schip blootstellen aan krachten uit het fysisch continuüm, of aan extra krachten die wij definiëren en de reactie bestuderen. Simcenter STAR-CCM+ berekent de resulterende kracht en het resulterende moment die op het starre lichaam inwerken en lost de bewegingsvergelijkingen op om de nieuwe positie van het starre lichaam te vinden. In de blog van deze week bekijken we hoe we een dempingsmoment op het schip kunnen toepassen om het effect van stabilisatoren na te bootsen.

Een schip op zee heeft typisch 6 vrijheidsgraden, d.w.z. rollen, deinen, pitch, gieren, slingeren en opleving. Waaruit de onderstaande figuur alle rotatiebewegingen laat zien. Daarvan is er één beweging zeer kritisch, niet alleen voor het comfort van de passagiers, maar ook voor de veiligheid van het schip: de rolbeweging.

Wanneer ons schip in golven vaart, begint het zodanig met de golven te reageren dat het zwaartepunt van het drijfvermogen niet langer op één lijn ligt met het zwaartepunt. Het extra drijfvermogen aan één kant resulteert in een hellend moment dat het schip naar de zijkant doet draaien. Kleinere golven hebben niet veel invloed op een schip. Wanneer de golf echter groter wordt en de golflengte toeneemt, zal zij naar één kant overhellen. Dit wordt kritiek wanneer de frequentie van de golven overeenkomt met de natuurlijke periode van de rol van het schip. Het schip zal overhellen tot voorbij een punt of een hoek van helling van waaruit het niet meer kan terugkeren naar een rechtopstaande toestand.

Het slingeren is daarentegen de enige scheepsbeweging die in de praktijk doeltreffend kan worden verminderd door kimkielen, anti-roltanks of vinstabilisatoren aan te brengen. Daarentegen kunnen grote rolbewegingen worden vermeden door krachten op te wekken die gelijk zijn aan en tegengesteld aan de opgedrukte zeekracht.

Nu wij het effect van de toegepaste stabilisatoren kennen, kunnen wij hun invloed op de bewegingen van het schip simuleren zonder de geometrie van de stabilisatoren daadwerkelijk te modelleren. Om dat te doen kunnen wij een dempingsmoment toepassen op het DFBI model. Het dempingsmoment werkt ten opzichte van de positie van het lichaam in tegenstelling tot de hoeksnelheid vector.

De algemene formulering van een dempingsmoment is een lineaire dempingsfunctie met een dempingsconstante. Het DFBI Dempingsmoment wordt echter toegepast in alle vrije bewegingen. Een manier om het op te vatten is als: DFBI Dempingsmoment is een waarde om de beweging te stabiliseren. Helaas vergt het dempen van de beweging om slechts één as, zoals verwacht wordt van stabilisatoren, een beetje meer inspanning.

Als we het dempingseffect van een stabilisatie willen nabootsen zou de manier om dit te benaderen zijn om in plaats van DFBI Dempingsmoment te gebruiken DFBI Moment te kiezen waar we een Moment in slechts één richting kunnen beschrijven als een functie van de dempingsconstante (zoals in het dempingsmoment) en de hoeksnelheidswaarde met betrekking tot de stabilisatievinnen.

Als we kijken naar een voorbeeld waarbij we de boot bij de initialisatie hellen en van daaruit loslaten, zien we het effect van het DFBI-dempingmoment. De beweging is merkbaar verminderd rond de lengte-as.

 

We kunnen het geïmplementeerde DFBI dempingsmoment vergelijken met het "handgemaakte" dempingsmoment toegepast in slechts één richting. Een plot van de gecontroleerde bewegingen verduidelijkt dat de rolbewegingen op dezelfde manier worden gedempt met beide implementaties.

Als we nu de bewegingen vergelijken in een geval waarin het schip bovendien een beweging in trim en yaw heeft, kunnen we een verschil zien tussen de toegepaste dempingsmomenten. De gierbeweging is aanzienlijk lager in het geval dat het DFBI dempingsmoment wordt toegepast, vergeleken met het toepassen van een moment alleen rond de x-as. De trim vertoont echter geen duidelijk onderscheid. Dit heeft waarschijnlijk te maken met de kleine hoeksnelheid rond de y-as.

Indien u dus het effect van een stabilisator voor de beweging van een schip moet modelleren, kan dit idee u helpen om wat rekentijd te besparen, zodat u sneller een betere oplossing vindt.

De Auteur

Florian Vesting, PhD
Contact: support@volupe.com
+46 768 51 23 46

 

 

Meer blogberichten

nl_BEDutch