Logotyp för Volupe

Blogginlägg Volupe

Marina framsteg - Simcenter Amesim

I det här blogginlägget tittar vi på några av Simcenter Amesims marina funktioner och granskar en jämförelse mellan simulering av fartygsresistans i full skala med hjälp av CFD och förutsägelser från Simcenter Amesims fartygsresistansmodeller.

Om man fastställer fartygskonstruktionens skrovmotstånd är det möjligt att beräkna den kraft som krävs för att driva fartyget längs en sjöväg. Med hjälp av effektbehovet kan man undersöka olika typer av framdrivningssystem för att bedöma fartygets totala (eller momentana) bränsleförbrukning, miljöpåverkan och investeringskostnad. De insikter som erhålls från en sådan undersökning kan i sin tur användas för att eftermontera en äldre fartygskonstruktion eller för att konstruera ett helt nytt system. Som framgår av bilderna ovan kan olika typer av aggregat, energilagringsenheter och elmotorer anslutas, dimensioneras, optimeras och slutligen utvärderas längs vilken sjöväg som helst.

Att arbeta med ett simuleringsverktyg på detta sätt ger flera fördelar. Flera scenarier och rutter kan kontrolleras med olika framdrivningssystem för att studera kompromisser mellan olika koncept och konstruktioner. Komponent- och systemkontrollstrategier kan undersökas och utformas för att uppfylla de strängare utsläppskraven, till exempel genom att anta en strategi för att spara toppar, där ett större batteri används för att säkerställa en mer optimal förbränningsmotorprestanda.

Med Simcenter Amesims modeller för beräkning av skrovets motstånd är det möjligt att få en god förståelse för en skrovkonstruktions motstånd baserat på metoder som finns i litteraturen för liknande konstruktioner. Det beräknade motståndet kan också manipuleras för att studera effekten av minskat motstånd på framdrivningssystemet till följd av en smidigare skrovdesign. Inom skeppsbyggandet är det vanligt att använda CFD-analyser eller provning av skalenliga modeller för att bestämma ett visst skrovs motstånd. Detta är en fördel jämfört med att arbeta med motståndsmodeller eftersom den planerade skrovgeometrin kan användas direkt och sannolikt kommer att ge ett motståndsbeteende som nära överensstämmer med konstruktionen. Resultaten av en sådan analys kan naturligtvis användas i Simcenter. Amesim för att förbättra förutsägelserna ytterligare.

Hur det fungerar

Delmodellen för fartygsresistans kan användas för att beräkna krafter för navigeringens translationsmotstånd och fartygets translationsdynamik vid färd längs de viktigaste sjövägarna och tar hänsyn till fartygets massa och navigationsmotståndet på grund av friktionen mot vatten.

Om olika havsförhållanden ska studeras kan fartygets motståndsmodell kombineras med en modell för varierande havsförhållanden. Denna modell tar hänsyn till ytterligare motstånd som orsakas av vind, vågor och skillnader på grund av variationer i vattnets densitet och viskositet jämfört med referensförhållanden.

Det finns fyra sätt att beräkna navigationsmotståndet:

  Experimentella data - ITTC 78 [1]: modellering baserad på ITTC 78-förfarandet. Metoden bygger på extrapolering av tester i modellskala och kräver tillgång till experimentella data.

Statistisk Barrass [2]: modellering baserad på den metod som presenteras i "Ship Design and performance for masters and mates" av Dr C.B. Barrass.

Totalt motstånd = f(v) - det totala navigeringsmotståndet som funktion av fartygets hastighet avläses i en 1D-tabell.

Holtrop och Mennen-metoden [3]: Modellering baserad på artikeln "An approximate power prediction method" av J.Holtrop och G.G.J. Mennen. Metoden bygger på regressionsanalys av ett stort antal modellförsök och data från sjöprovningar och kräver detaljerad information om fartygets geometri.

Den fullständiga jämförelsen mellan CFD-simulering av fullskaliga skrovmodeller och Simcenter Amesims tillvägagångssätt som beskrivs ovan kan hittas i sin helhet genom att söka efter demonstrationsmodellen med titeln "Navigation resistance and propulsion comparison" i Simcenter Amesims hjälpsektion. I det här inlägget nöjer vi oss med att granska resultaten från referensskrovmodellen KVLCC2. Skrovmodellen utvecklades ursprungligen för forskning och användes särskilt för att validera CFD simulations. Modellen finns inte i full skala.

I jämförelsen används endast metoderna ITTC 78 och Holtrop & Mennen, och beskrivningen av jämförelsen nedan är densamma som i demonstrationsmodellen.

KRISO Very Large Crude Carrier 2

Detta fartyg är en referensmodell av ett mycket stort råoljetransportfartyg som utvecklats av Maritime and Ocean Engineering Research Institute (MOERI). Nedan följer en illustration av skrovet och dess viktigaste egenskaper.

De geometriska parametrarna och CAD-modellen för skrovet och propellern hämtades från SIMMAN 2008-workshopen [4]. CAD-modellen användes för att få exakta värden för de data som var nödvändiga för en Holtrop- och Mennen-beräkning, vilket innefattade vattenplanets ytkoefficient, den nedsänkta spegelytan och bilagornas ytor. Värdet för formfaktorn togs direkt från litteraturen [5]. Koefficienten för kölvattnets fraktion, rotationsverkningsgraden och koefficienten för dragkraftsavdrag beräknades med Holtrop-metoden.

För validering av modellen hämtades experimentella data för ITTC 78 från [6] och CFD-resultat i full skala användes som jämförelse. CFD simulations bestod av fyra olika värden för fartygets hastighet. Figuren nedan visar simuleringsresultaten och jämför dem med referensvärdena.

I följande tabeller visas en jämförelse mellan de värden som erhållits av Amesim och de värden som erhållits från CFD simulations i full skala för varje hastighet som analyserats i referenskällan.

Om man jämför Holtrop & Mennen och ITTC 78 med CFD-resultaten kan man se en skillnad på mindre än 2 [%] för det totala motståndet beräknat med ITTC 78 och mindre än 1 [%] med Holtrop & Mennen-metoden. För hastigheter över 10 [knop] ger både Holtrop och Mennen och ITTC 78 ett konsekvent motståndsbeteende och vid lägre hastigheter börjar de avvika från varandra. Den levererade effekten, beräknad med hjälp av en undermodell för en marin propeller, visar skillnader under 8 [%] jämfört med CFD-referensen.

Jämförelsen visar att rimliga förutsägelser kan uppnås med hjälp av endast en begränsad mängd underliggande geometrisk information och korrekta uppskattningar av parametrar som koefficienter för skrovets form, som beräkningen av motståndet är känslig för.

Förhoppningsvis tyckte du att det här inlägget var värt att läsa igenom. Om du har några frågor eller kommentarer om ämnet eller om simulering i allmänhet är du välkommen att kontakta oss genom att skicka ett e-postmeddelande till support@volupe.com.

Referenser:

[1] International Towing Tank Conference, "Recommended Procedures and Guidelines", 2014.

[2] Dr C.B.Barrass, "Ship design and performance for masters and mates", 2004.

[3] J. Holtrop och G.G.J. Mennen, "An approximate power prediction method", 1982.

[4] SIMMAN 2008. Workshop om verifiering och validering av simuleringsmetoder för fartygsmanövrering. Tillgänglig den 20 april 2021 [http://www.simman2008.dk/].

[5] Lee et al. Jämförande studie av metoder för att förutsäga effektökning och framdrivningsprestanda vid korta vågor i KVLCC2:s regelbundna huvud med hjälp av CFD. 2019.

[6] Lee et al. Effektökning och framdrivningsegenskaper vid regelbundna huvudvågor i KVLCC2-modellprovningar. 2020.

Författare

Fabian Hasselby, M.sc.
+46733661021

Fler blogginlägg

sv_SESwedish