Αριθμητική και πειραματική διερεύνηση αντίστασης και ύψους κύματος δίγαστρου σκάφους χωρίς βολβό

Abstract

Βασικό χαρακτηριστικό όλων των σωμάτων που κινούνται μέσα σε ένα ρευστό, όπως είναι το θαλασσινό νερό, είναι η αντίσταση που οφείλεται σε απώλειες ενέργειας λόγω της επαφής του σώματος με το περιβάλλον ρευστό και προκύπτει από το ολοκλήρωμα των στοιχειωδών δυνάμεων που ασκούνται σε κάθε σημείο επαφής της γάστρας με το ρευστό που την περιβάλλει. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, κατά το στάδιο της προμελέτης ένα από τα βασικά ζητούμενα είναι η αντίσταση του πλοίου να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Αυτό συμβαίνει καθώς μικρότερη αντίσταση συνεπάγεται όχι μόνο επιλογή οικονομικότερης προωστήριας εγκατάστασης και μικρότερο κόστος συντήρησής της αλλά και μικρότερο κόστος κίνησης που δίνει τη δυνατότητα μεγιστοποίησης της οικονομικής εκμετάλλευσης του πλοίου. Το μικρότερο κόστος κίνησης μάλιστα αποκτά ιδιαίτερη σημασία εάν αναλογιστεί κανείς την αυξανόμενη τάση της τιμής των καυσίμων που έχει ως αποτέλεσμα το κόστος κίνησης να αποτελεί ολοένα μεγαλύτερο ποσοστό του συνολικού λειτουργικού κόστους του πλοίου. Η αντίσταση συνεπώς επιδρά σε μεγάλο βαθμό σε ένα πλήθος παραμέτρων του αρχικού σχεδιασμού ενός πλοίου όπως είναι η μορφή της γάστρας του πλοίου, το κόστος κατασκευής της, το ωφέλιμο φορτίο, η επιλογή κύριας μηχανής και η έλικα πρόωσης. Αναφορικά με τα πλοία διπλής γάστρας ο πιο διαδεδομένος τύπος είναι το catamaran, το οποίο συνίσταται σε δύο γάστρες που ικανοποιούν τις απαιτήσεις για άντωση και ευστάθεια και συνδέονται μεταξύ τους μέσω μιας υπερκατασκευής, η οποία παρέχει το σύνολο του εκμεταλλεύσιμου όγκου του. Η σχεδίαση αυτού του τύπου πλοίων έχει αντικειμενικό σκοπό την καλύτερη συμπεριφορά στο θαλάσσιο περιβάλλον καθώς και τη μικρότερη δυνατή αντίσταση. Σημαντικό ρόλο στη σχεδίαση τους διαδραματίζει η απόσταση μεταξύ των δύο γαστρών, η οποία έχει άμεση σχέση με την αντίσταση του πλοίου λόγω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ημιγαστρών. Η επιλογή της κατάλληλης απόστασης μεταξύ τους έχει ιδιαίτερη σημασία και αποτελεί αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στην διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε πειραματική και αριθμητική διευρύνηση της αντίστασης και του ύψους κύματος ενός δίγαστρου σκάφους χωρίς βολβό σε ήρεμο νερό. Για την αντίσταση μελετήθηκαν πέντε καταστάσεις φόρτωσης για ένα εύρος ταχυτήτων από 3 έως 20 knots σε κλίμακα πλοίου, τόσο για το πλοίο μονής γάστρας, όσο και για τρεις αποστάσεις μεταξύ των ημιγαστρών. Αντίστοιχα, για το ύψος κύματος μελετήθηκαν δύο καταστάσεις φόρτωσης για τρεις ταχύτητες (14knots, 17knots, 20knots) για το μονόγαστρο σκάφος και για το δίγαστρο σκάφος μία κατάσταση φόρτωσης για τις τρεις παραπάνω ταχύτητες για τρεις αποστάσεις μεταξύ των ημιγαστρών, που ήταν οι ίδιες με αυτές που μελετήθηκαν στην αντίσταση. Τα πειράματα διεξήχθησαν στην πειραματική δεξαμενή του Εργαστηρίου Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής (ΕΝΘΥ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου χρησιμοποιώντας γεωμετρικά όμοιο μοντέλο σε κλίμακα 1/23.5. Οι αποστάσεις των διαμήκων αξόνων συμμετρίας των δύο ημιγαστρών (S) που μελετήθηκαν είναι 13.583m, 18.8m και 23.5m σε κλίμακα πλοίου και εκφράζονται με το λόγο S/L, όπου L είναι το μήκος μεταξύ καθέτων του πλοίου. Η αριθμητική διερεύνηση πραγματοποιήθηκε με το πρόγραμμα catamaran.f που είναι γραμμένο σε γλώσσα Fortran και αναπτύχθηκε στο ΕΝΘΥ από τον καθηγητή κ.Γ. Τζαμπίρα. Στο 1ο κεφάλαιο αρχικά γίνεται περιγραφή των πιο διαδεδομένων τύπων πλοίων διπλής γάστρας και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους και στη συνέχεια αναλύεται η αντίσταση στις επιμέρους συνιστώσες της, δηλαδή στην αντίσταση τριβής και στην αντίσταση πίεσης λόγω συνεκτικότητας. Αναφορά γίνεται επιπρόσθετα και στην αντίσταση λόγω κυματισμού. Τέλος, παρουσιάζονται τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά σχεδίασης του υπό μελέτη πλοίου καθώς και ο υδροστατικός πίνακας των μελετούμενων καταστάσεων φόρτωσης. Στο 2ο κεφάλαιο περιγράφονται η πειραματική εγκαστάσταση, το μοντέλο πειραμάτων, τα χρησιμοποιούμενα μετρητικά όργανα και οι αρχές λειτουργίας τους καθώς και η πειραματική διαδικασία. Ακόμη γίνεται περιγραφή των αισθητήρων με τους οποίους μετρήθηκε το ύψος κύματος, όπως και η αντίστοιχη πειραματική διαδικασία. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων μέσω της υπόθεσης Froude και παρουσιάζονται τα αντίστοιχα συμπεράσματα. Ο σχολιασμός τους γίνεται υπό το οπτικό πρίσμα τριών παραμέτρων. Η πρώτη παράμετρος αφορά την επίδραση του εκτοπίσματος στην αντίσταση, η δεύτερη την επίδραση του λόγου S/L στην αντίσταση και η τρίτη την επίδραση της διαγωγής στην αντίσταση. Μάλιστα, τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά ενός γεωμετρικά όμοιου πλοίου με βολβό για να διαπιστωθεί η επίδραση του βολβού στην αντίσταση. Στο 4ο κεφάλαιο γίνεται αριθμητική διερεύνηση της αντίστασης με το πρόγραμμα catamaran.f μέσω του συντελεστή αντίστασης κυματισμού, ο οποίος στη συνέχεια συγκρίνεται με αυτόν της πειραματικής διαδικασίας. Επίσης, πραγματοποιείται σύγκριση του ύψους κύματος μεταξύ της πειραματικής και αριθμητικής διερεύνησης για να διαπιστωθεί πόσο καλά μπορεί να αποδώσει το πρόγραμμα catamaran.f τη δημιουργηθείσα ελεύθερη επιφάνεια σε συγκεκριμένες αποστάσεις από την επιφάνεια της γάστρας. Τέλος στα παραρτήματα Α-Η παρουσιάζονται κατά αντιστοιχία τα εξής: τα αποτελέσματα του προγράμματος Resout, τα διαγράμματα ολικής αντίστασης, προνευτασμού (pitch), δυναμικής ανύψωσης κέντρου βάρους (heave), η ισχύς ρυμούλκησης του πλοίου, τα διαγράμματα υπολογισμού του συντελεστή k μέσω της μεθόδου Prohaska, υπόδειγμα του αρχείου input file που χρησιμοποιήθηκε στο πρόγραμμα catamaran.f και τέλος πίνακας με την πυκνότητα και την κινηματική συνεκτικότητα του γλυκού και θαλασσινού νερού σε διάφορες θερμοκρασίες.

The present work is concerned with the experimental and numerical calculation of the resistance characteristics of catamaran cargo ships. A series of resistance measurements were conducted at the Towing Tank of the Laboratory for Ship and Marine Hydrodynamics (LSMH) of the National Technical University of Athens (NTUA) for two hull shapes of similar dimensions a with and without bulbous bow. The experiments were concerned with both the model of a single demihull as well as the model of the catamaran hull. The experiments simulated five loading conditions, three even-kill and two with trim by stern. Furthermore three values for the demihull spacing were tested. All tests were conducted for a range of full scale speed that covers the operating profile of a catamaran cargo ship. During each test the resistance and dynamic sinkage and trim were measured. Furthermore the water elevation was also measured by means of resistance wave probs. The experimental data are used to evaluate the effect of the distance of the demihulls and that of the trim, on the residual resistance of the vessels. Furthermore the results of the two designs are compared in order to evaluate the effectiveness of a bulbous bow with respect to the ship speed and loading condition. The experimentally measured elevation of the water surface is then used to evaluate the corresponding numerical results obtained by means of a non-linear potential flow code that has been developed at LSMH of NTUA (Tzabiras, 2008). The potential solver adopts an iterative method for the calculation of the free-surface using quadrilateral panels.