Marin Teknikk 2 – Motstand Dag 3: Beregning av skipsmotstand

Presentasjon om: "Marin Teknikk 2 – Motstand Dag 3: Beregning av skipsmotstand"— Utskrift av presentasjonen:

1 Marin Teknikk 2 – Motstand Dag 3: Beregning av skipsmotstand
Foreleser: Professor Sverre Steen

2 Sist forelesning Motstandskomponenter: Potensialstrømning
Trykkmotstand Viskøs trykkmotstand Motstand på 3-D legemer sylindre, kuler, og lignende

3 Gjenstående temaer Oppsummering av motstandskomponenter (så langt)
Friksjonsmotstand, form-motstand, formfaktor Effekt av ruhet på skroget Luftmotstand Motstand fra modellforsøk (Øving 12) Bølgemotstand Optimalisering av skrogform, effekt av bulb, etc. Flere motstandskomponenter: Virveldannelse Motstand på tverr hekk Appendix motstand Gruntvannsmotstand Empirisk motstandsberegning (Øving 13) Direkte beregningsmetoder (CFD)

4 Motstandskomponenter
Friksjonsmotstand Trykkmotstand Kan beregnes med potensialteori Viskøs trykkmotstand Trykkmotstand som avhenger av viskøse effekter Krefter dekomponeres i fartsretning og summeres til total motstand:

5 Friksjonskoeffisient for flat plate
- Et skip er ikke en flat plate! Hvordan ta hensyn til skipets fyldighet? Turbulent strømning Overgangsområde (transisjon) Laminær strømning

6 Hastighetsfordeling langs skroget
Øket hastighet gir større friksjonsmotstand Redusert overtrykk i akterskipet

7 Formfaktor Cv: Viskøs motstandskoeffisient
Korreksjon av friksjonsmotstand for å ta hensyn til skipets fyldighet Fyldigheten fører til øket hastighet rundt skroget Øket hastighet fører til øket friksjonskraft Redusert trykkøkning i akterskipet bidrar til formfaktor Cv: Viskøs motstandskoeffisient CF: Friksjonskoeffisient for flat plate k: Formfaktor

8 Hvordan finne formfaktoren k?
k antas lik i modell og full skala k finnes derfor gjerne fra modellforsøk Alternative metoder: Slepe modellen ved så lav hastighet at den ikke lager bølger Prohaska’s metode Empiriske formler

9 Prohaska’s metode for å finne formfaktor

10 Prohaska’s metode Eksponent for Fn velges slik at dataene faller mest mulig på en rett linje

11 Formfaktor for mange ulike modeller
Konstruksjon av empirisk formel

12 Effekt av ruhet på motstand
I full skala vil skroget ha ruhet i form av sveiseskjøter, ujevn malingstykkelse, begroing osv. Friksjonsformlene for flat plate gjelder for glatt overflate Ruhet vil øke friksjonsmotstanden Økningen i friksjonsmotstand avhenger først og fremst av ruhetens ”tykkelse” (eller høyde) Ruhet avhenger også av ruhetens ”form” (hvor spisse toppene er, og hvor langt det er mellom dem)

13 Sammenheng mellom ruhet, Rn og friksjon
Økende ruhet

14 Betydningen av ruhetens form
Alle de ulike formene gir samme økning i friksjonsmotstand

15 Effekt av ruhet på total friksjonsmotstandskoeffisient
Økende ruhet

16 ITTC’57 Friksjonslinje med og uten ruhet

17 Ulike ”friksjonslinjer” benyttet ved skipsmodellprøving

18 Beregning av motstand på skip
Modellforsøk Empiri/erfaringsformler basert på modellforsøksresultat Direkte beregning Separat beregning av bølgemotstand og friksjonsmotstand Samtidig beregning av bølgemotstand og friksjonsmotstand (CFD)

19 William Froude ( ) Kjent som grunnleggeren av moderne skipsmodelltesting Innførte oppdeling av motstand i friksjonsmotstand og restmotstand Gjorde slepeforsøk med ”planker” og formulerte formel for friksjonsmotstand Formulerte dagens skaleringslover for hastighet og restmotstand

20 Skalering av friksjonsmotstand
Modell: CFm=CF(Rnm) Skip: CFs=CF(Rns)

21 Skaleringsprosedyre Mål total motstand i modellskala
Beregn og trekk fra alle kjente ikke-Froude-skalerte motstandskomponenter i modellskala Skaler restmotstand til full skala Beregn og legg til alle kjente ikke-Froude-skalerte motstandskomponenter i full skala

22

23 Øving 12 Skalering av motstand fra modellforsøk
Sammenlikning av motstanden til tre modeller med ulike forskipsvarianter Uten bulb Liten bulb Stor bulb Lurt å bruke Excel eller tilsvarende verktøy til beregingen

24 Slepeprøver Testprosedyre: Modellen akselereres til konstant hastighet
Hastigheten holdes konstant I minst 10 sekunder Middelverdi for perioden med konstant hastighet beregnes og benyttes I den videre analysen

25 Eksempel på tidsserie fra slepeprøve

26 Instrumentering

27 Slepetanker på Marinteknisk Senter
Tank I Tank II Tank III Tank I +III* Length: m 25.0 m 85.0 m m Width: m 2.8 m 10.5 m 10.5 m Depth: 5.6 m 1.0 m 10.0 m 5.6/10.0 m * Tank I and III can be used simultaneously and also as one long tank (Tank I +III) by removing the gate (12) and wave absorber (15).

28 Model tests in the Ship Model Tank

29 Bølgemotstand Trykkmotstand  Froude skalert
Kan beregnes (temmelig nøyaktig) med potensial-teori Det er sammenheng mellom viskøs trykkmotstand og bølgemotstand, men for et velformet skip er denne sammenhengen ikke så sterk For et skip med gitt størrelse og hastighet er det først og fremst bølgemotstanden vi kan påvirke med utforming Kunnskap om bølgemotstand er viktig for design og optimalisering av skrogform

30 Visualisering av resultat av beregning av bølgemotstand med potensialteori
RoPax skip i 22 knop

31 Trykk og bølgemotstand

32 Trykkfordeling på forskip

33 Beregnet bølgeheving for to varianter av lite tankskip, 12,5 knop

34

35 Bølgedannelse rundt et skip uten markerte skuldre

36 Bølgedannelse rundt et skip med markerte skuldre

37 Samvirke mellom baug og hekkbølgesystem

38 Sammenheng mellom bølgemotstand og Froude-tall

39 Et lengre skrog har mindre bølgemotstand

40 Et lengre skrog har mindre bølgemotstand

41 Akterskipets form har liten innflytelse på bølgemotstanden

42 Bidrag til bølgemotstanden fra tverr- og spredebølger

43 Bølgebrytning

44 Bølgesystem med og uten bulb

45 Effekten av bulb på bølgesystem
Uten bulb Med bulb

46 Effekt av bulb på modellen i Øving 12

47 Bulb Bulbtyper: Dråpeformet med tyngdepunktet langt nede - ▲ Ovalt tverrsnitt - 0 Dråpeformet med tyngdepunktet langt oppe - ▼ For Fn>0.25 virker bulben positivt ved å lage et bølgesystem i motfase med skrogets eget bølgesystem For Fn<0.25 kan bulb virke positivt ved at fyldighet flyttes fra skuldrene og framover

48 Virvel- motstand Dannelse av virvler krever energi, og vil derfor (normalt) øke motstanden

49 Motstand fra virvler fra slaget

50 Appendix-motstand Motstand på ”vedheng” til skipet (modellen), slik som: Ror Akslinger og akselbraketter Slingrekjøler Stabilisator-finner Osv. Motstand på appendix kan bestemmes fra: Modellforsøk kjørt med og uten appendix på modellen Empiriske data (for eksempel drag-koeffisienter for liknende geometriske former) Skalering av appendix-motstand Motstand på appendix er som regel kun viskøs motstand (friksjon + eventuelt viskøs trykkmotstand) Skalering avhenger av omfang av avløsning og graden av laminær strømning – vanskelig!!

51 Motstandskomponenter

52 Motstand på grunt vann