Blogginlägg Volupe

Fartygsstabilisatorer dämpande effekt

Att simulera rörelser som svar på krafter som utövas av flödet är en komplex och ofta beräkningsmässigt omfattande uppgift. Som tur är kan vi i Simcenter STAR-CCM+ använda modulen DFBI (Dynamic Fluid Body Interaction) för att simulera rörelsen hos styva kroppar, t.ex. fartyg. Utan ansträngning kan vi utsätta ett fartyg för krafter från fysikkontinuumet eller för ytterligare krafter som vi definierar och studera dess reaktion. Simcenter STAR-CCM+ beräknar den resulterande kraften och momentet som verkar på den stela kroppen och löser de styrande rörelseekvationerna för att hitta den stela kroppens nya position. I veckans blogg tittar vi närmare på hur vi kan tillämpa ett dämpande moment på fartyget för att efterlikna effekten av stabilisatorer.

Ett fartyg till sjöss har vanligtvis 6 frihetsgrader, dvs. rullning, krängning, lutning, gungning, svajning och surge. I figuren nedan visas alla rotationsrörelser. Av dessa rörelser är en mycket viktig, inte bara för passagerarnas komfort utan också för fartygets säkerhet: rullning.

När vårt fartyg färdas i vågor börjar det interagera med vågorna så att flytcentrumet inte längre är i linje med tyngdpunkten. Den extra flytkraften på ena sidan ger upphov till ett krängningsmoment som gör att fartyget vänder sig åt sidan. Mindre vågor påverkar inte ett fartyg särskilt mycket. Men när vågen växer och våglängden ökar kommer fartyget att luta sig åt ena sidan. Detta blir kritiskt när vågornas frekvens matchar fartygets naturliga rullperiod. Fartyget kommer att kränga över en punkt eller krängningsvinkel från vilken det inte kan återgå till ett upprätt läge.

Rullning är å andra sidan den enda fartygsrörelse som i praktiken kan minskas effektivt genom att man monterar kölar, rullningsdämpande tankar eller fenstabilisatorer. Därigenom kan stora rullrörelser undvikas genom att generera krafter som är lika stora som den påtryckta sjökraften.

När vi nu känner till effekten av de använda stabilisatorerna kan vi simulera deras inverkan på fartygets rörelser utan att behöva modellera stabilisatorernas geometri. För att göra det kan vi tillämpa ett dämpningsmoment på DFBI-modellen. Dämpningsmomentet verkar med avseende på kroppens position i motsats till vinkelhastigheten. vektor.

Den allmänna formuleringen av ett dämpningsmoment är en linjär dämpningsfunktion med en dämpningskonstant. DFBI-dämpningsmomentet tillämpas dock i alla fria rörelser. Ett sätt att uppfatta det är följande: DFBI-dämpningsmomentet är ett värde för att stabilisera rörelsen. Tyvärr kräver dämpning av rörelsen runt endast en axel, vilket förväntas av stabilisatorer, lite mer ansträngning.

Om vi vill återskapa dämpningseffekten av en stabilisator kan vi i stället för att använda DFBI-dämpningsmomentet välja DFBI-momentet, där vi kan beskriva ett moment i endast en riktning som en funktion av dämpningskonstanten (som i dämpningsmomentet) och värdet för vinkelhastigheten i förhållande till stabiliseringsfenorna.

Om vi tittar på ett exempel där vi kränger båten vid initialiseringen och släpper den därifrån kan vi se effekten av DFBI-dämpningsmomentet. Rörelsen är märkbart reducerad runt den longitudinella axeln.

 

Vi kan jämföra det implementerade DFBI-dämpningsmomentet och det "handgjorda" dämpningsmomentet som tillämpas i endast en riktning. En plott av de övervakade rörelserna visar att rullrörelserna dämpas på samma sätt med båda tillämpningarna.

Om vi nu jämför rörelserna i ett fall där fartyget dessutom har en rörelse i trim och gira kan vi se en skillnad från de dämpningsmoment som tillämpas. Giradrörelsen är betydligt lägre när man tillämpar DFBI-dämpningsmomentet, jämfört med om man tillämpar ett moment endast runt x-axeln. Trimmen visar dock ingen tydlig skillnad. Detta beror troligen på den lilla vinkelhastigheten runt y-axeln.

Om du behöver modellera effekten av en stabilisator för fartygsrörelser, kan denna idé vara till hjälp för att spara beräkningstid och hitta en bättre lösning snabbare.

Författaren

Florian Vesting, doktorsexamen
Kontakt: support@volupe.com
+46 768 51 23 46

 

 

Fler blogginlägg

sv_SESwedish