| Abstract | The effect of biofouling on the hydrodynamic characteristics of ship resistance and propulsion
in calm water is very important from both an economic and environmental point of view.
Hydrodynamic performance of a ship is disrupted because of the presence of biofouling
organisms, which results in increased fuel consumption, ship speed reduction and increased
emission of harmful gases. Presently, there is no comprehensive procedure, which could
reliably predict the effect of biofouling on the ship hydrodynamic characteristics. Consequently,
International Towing Tank Conference (ITTC) has advised scientists to present new formulae
or methods based on the experimental data to determine the effect of biofouling on the ship
resistance and propulsion characteristics.
Since biofouling depends on many parameters and it is very difficult to predict how long will
antifouling coatings prevent fouling of a ship, the proposed research is focused on the effects
of predetermined surface conditions on the ship hydrodynamic characteristics. Biofouling can
be classified into the soft, hard and composite fouling. In this thesis the effects of biofilm and
hard fouling on ship resistance, propeller open water and ship self-propulsion characteristics
are investigated.
Within the proposed research commercial software package is used. The mathematical model
is based on the averaged continuity equation and Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS)
equations. Governing equations are discretised utilizing Finite Volume Method (FVM). After
the analysis of several turbulence models for the closure of set of equations and their influence
on the obtained ship hydrodynamic characteristics has been performed, k − Shear Stress
Transport turbulence model is selected as a compromise between accuracy and computational
time. Volume of Fluid method is utilized for tracking and locating the free surface. The effects
of biofouling are modelled through the implementation of roughness function model within the
wall function of Computational Fluid Dynamics (CFD) solver. The research is based on the
wall similarity hypothesis which claims that roughness effects are limited to inner layer of
turbulent boundary layer.
The validity of numerical procedure is examined through verification and validation of the
obtained results. The validation of the obtained numerical results for the smooth surface
condition is carried out by comparison with the extrapolated towing tank results and other
numerical studies available in the literature. The validation of numerical drag characterization
study is performed by comparison of the obtained numerical results and experimental ones.
Also, the obtained numerical results in terms of the increase in frictional resistance for a flat
plate having the same length as a ship are compared with the ones obtained using the Granville
similarity law scaling method. Thereafter, the applicability of the proposed CFD approach is
demonstrated on the example of three full-scale merchant ships.
Also, the newly proposed performance prediction method for fouled surfaces is presented,
which can account for fouling effects on the ship performance. The applicability of this method
is demonstrated for fouling conditions with lower fouling rates. Thus, a robust and rapid
assessment of the effects of biofouling on the ship hydrodynamic characteristics in calm water
is enabled. |
| Abstract (croatian) | Uvod
Obraštanje je nakupljanje mikroorganizama, biljaka, algi ili životinja na površinama koje su u kontaktu s vodom te predstavlja rastući problem s ekonomskog, ali i ekološkog stajališta. Iako je obraštanje prisutno u mnogim različitim područjima, pomorska industrija je najviše pogođena prisutnošću i rastom organizama. Prisutnost raznih organizama na trupu broda uzrokuje povećanje hrapavosti trupa broda. Zbog toga se otpor trenja povećava, što uzrokuje povećanje potrošnje goriva, smanjene brzine broda i povećanje opterećenja motora. Pokazano je kako su svi troškovi vezani uz razvoj, nabavu i primjenu, kao i relativno skupo tehničko ili plansko rješenje za antivegetativnu zaštitu brodova, ekonomski opravdani ukoliko i u maloj mjeri poboljšavaju stanje obraštenog trupa. Još jedan problem vezan uz obraštanje trupa broda je rasprostiranje biljnih i životinjskih vrsta svjetskim morima i posljedični poremećaj i promjena postojećih bio sustava. Energetska učinkovitost broda, koja se može razmatrati kroz potrošnju goriva po satu, brzinu i nosivost broda, ovisi o otporu broda, stupnju djelovanja propulzije, interakciji trupa broda i brodskog vijka, specifičnoj potrošnji goriva motora itd. Iako je u procesu osnivanja broda jedan od glavnih zadataka postizanje određene brzine tijekom pokusne plovidbe na određenom gazu uz određenu potrošnju goriva, jednako je tako važno točno predvidjeti brzinu broda i potrošnju goriva u uvjetima službe, što u velikoj mjeri ovisi o obraštanju. Važnost određivanja utjecaja obraštanja na hidrodinamičke značajke broda u mirnoj vodi jednako je važna kao i povećanje energetske učinkovitosti postojećih brodova kroz primjenu novih antivegetativnih premaza, budući da može ukazati na važnost čišćenja trupa broda i brodskog vijka. Naime, iako postoje razne mjere za povećanje energetske učinkovitosti brodova, brodovlasnici ili operateri broda oklijevaju s njihovom primjenom zbog nedostataka pouzdanih informacija vezanih uz potencijalne uštede prilikom primjene pojedine mjere. Točan proračun povrata investicije za brodovlasnike ili operatere broda je nužan prilikom odlučivanja o implementaciji pojedine mjere. Optimizacija čišćenja trupa broda i brodskog vijka jedna je od mjera za poboljšavanje energetske učinkovitosti brodova nad kojom brodovlasnik ili operater broda ima veliki utjecaj. Točna procjena utjecaja obraštanja na hidrodinamičke značajke broda, a time i utjecaja čišćenja na iste omogućuje procjenu ekonomskog aspekta ove mjere, što omogućuje točniju procjenu povrata investicije. Trenutno, ne postoji sveobuhvatna procedura pomoću koje bi se mogao pouzdano predvidjeti utjecaj obraštanja na hidrodinamičke značajke broda u službi. Iz tog razloga je International Towing Tank Conference (ITTC) izdao preporuke istraživačima da predlože nove izraze ili metode temeljene na eksperimentalnim podacima za predviđanje utjecaja obraštanja.
Metodologija
Glavni cilj ovog doktorskog rada je razvoj numeričkog postupka temeljenog na računalnoj dinamici fluida (RDF), koji može simulirati utjecaj obraštanja na strujanje oko oplakane površine obraslog trupa broda i brodskog vijka. Primjenom ovoga modela moguće je odrediti utjecaj obraštanja na hidrodinamičke značajke otpora i propulzije u mirnoj vodi.
Model se temelji na hipotezi o sličnosti zida (eng. wall similarity hypothesis), odnosno na
hipotezi da je utjecaj hrapavosti ograničen na unutarnji sloj turbulentnog graničnog sloja. Tako
je ponašanje pojedine hrapave površine moguće opisati funkcijom hrapavosti, koja ustvari
predstavlja pomak profila srednje brzine u logaritamskom području prema dolje. Kako ne
postoji funkcija hrapavosti koja bi mogla opisati svaki pojedini tip hrapavosti, potrebno je
izraditi studiju karakterizacije otpora (eng. drag characterization study) određenih tipova
hrapavosti i na taj način odrediti tip funkcije i skalu hrapavosti, koja se koristi u definiciji
Reynoldsovog broja hrapavosti. Za potrebe razvoja modela temeljenog na RDF-u, koji može
simulirati utjecaj obraštanja, potrebno je odrediti model funkcije hrapavosti, odnosno ovisnost
funkcije hrapavosti o Reynoldsovom broju hrapavosti. U ovome radu, temeljem studija
karakterizacije otpora dostupnih u literaturi za dva tipa obraštanja, tj. biofilm i tvrdi obraštaj,
predloženi su modeli funkcije hrapavosti za ova dva tipa obraštanja. Ovi modeli implementirani
su u zidnu funkciju RDF rješavača te je time omogućeno određivanje utjecaja ovih tipova
obraštanja na hidrodinamičke značajke proizvoljnog tijela. Budući da obraštanje ovisi o
mnogim parametrima te da još uvijek nije moguće predvidjeti koliko dugo će antivegetativni
premazi sprječavati obraštanje, ovo istraživanje je provedeno za unaprijed određena stanja
obraštanja biofilmom i tvrdim obraštanjem.
Razvijeni RDF model temelji se na Reynoldsovim osrednjenim Navier-Stokesovim
jednadžbama (eng. Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS), koje su diskretizirane
primjenom metode konačnih volumena. Provedena je detaljna analiza utjecaja odabira modela
turbulencije na dobivene hidrodinamičke značajke broda te je pokazano kako k − Shear
Stress Transport model turbulencije predstavlja najbolji kompromis između točnosti i
proračunskog vremena za zatvaranje sustava RANS jednadžbi i osrednjene jednadžbe
kontinuiteta. Za praćenje i određivanje položaja slobodne površine primijenjena je metoda
udjela fluida u volumenu. Numeričke simulacije pokusa slobodne vožnje vijka provedene su
primjenom metode višestrukih referentnih koordinatnih sustava, dok je utjecaj brodskog vijka
u numeričkim simulacijama pokusa vlastitog pogona modeliran pomoću metode virtualnog
diska.
Ukupni otpor broda određen je numeričkim simulacijama temeljenim na viskoznom strujanju
oko trupa broda, koje uključuju utjecaj slobodne površine (eng. Free Surface Simulation, FSS).
Viskozni otpor određen je primjenom numeričkih simulacija s udvojenim modelom (eng.
Double Body Simulation, DBS), koje ne uzimaju u obzir utjecaj slobodne površine. U DBS
simulacijama simulira se strujanje oko duboko uronjenog udvojenog modela broda ili broda te
je tako dobiveni ukupni otpor jednak viskoznom otporu. U DBS simulacijama otpor trenja
određuje se integracijom tangencijalnih naprezanja po oplakanoj površini, dok se viskozni otpor
tlaka određuje integracijom tlaka po oplakanoj površini. Otpor valova određuje se oduzimanjem
ukupnog otpora dobivenog u FSS i viskoznog otpora u DBS simulacijama. Tako je omogućeno
istraživanje utjecaja različitih stanja površine na pojedine komponente ukupnog otpora. Važan
parametar za ukupni stupanj djelovanja propulzije predstavlja sustrujanje, koje se može
podijeliti na efektivno i nominalno sustrujanje. Utjecaj stanja površine trupa broda na
nominalno sustrujanje do danas je gotovo u potpunosti neistražen, zbog nemogućnosti mjerenja
nominalnog sustrujanja na brodu u naravi. U okviru predloženog istraživanja nominalno
sustrujanje broda u naravi određeno je prema proceduri opisanoj u ITTC preporukama, a utjecaj
obraštanja na nominalno sustrujanje primjenom predloženih modela funkcija hrapavosti i
određene skale hrapavosti te usporedbom s nominalnim sustrujanjem glatkog trupa broda.
Utjecaj obraštanja na hidrodinamičke značajke slobodne vožnje vijka određen je primjenom
predloženih modela funkcija hrapavosti i određene skale hrapavosti u numeričkim simulacijama pokusa slobodne vožnje vijka te usporedbom s hidrodinamičkim značajkama slobodne vožnje glatkog vijka. Utjecaj obraštanja trupa broda i brodskog vijka na propulzijske značajke istražen je numeričkim simulacijama pokusa vlastitog pogona obraslog i glatkog broda te analizom rezultata, koristeći rezultate pokusa otpora i rezultate pokusa slobodne vožnje brodskog vijka. Konačno, primjenom numeričkog postupka moguće je odrediti utjecaj obraštanja na radnu točku brodskog vijka, definiranu brzinom, snagom predanom vijku te brzinom vrtnje vijka.
Premda procjena utjecaja obraštanja na hidrodinamičke značajke otpora i propulzije primjenom razvijenog numeričkog postupka omogućuje detaljan uvid u strujanje oko obraslog broda, primjena ovog postupka može biti složena za neiskusne korisnike RDF-a. Također, kako se RDF analiza sastoji od pripreme numeričkih simulacija, proračuna i analize dobivenih rezultata vrijeme trajanja proračuna je relativno dugo. U okviru optimizacije rasporeda čišćenja trupa broda i brodskog vijka bilo bi od velike koristi predložiti metodu, koja bi omogućila brzu procjenu utjecaja obraštanja na hidrodinamičke značajke otpora i propulzije. Štoviše, ITTC je izdao preporuke istraživačima da modificiraju trenutne poluempirijske izraze za koeficijent otpora i uzgona profila, a koji bi uzeo u obzir utjecaj obraštanja. U ovom radu, predložena je nova metoda za procjenu utjecaja obraštanja na hidrodinamičke značajke otpora i propulzije broda. Svrha ove metode je brza procjena utjecaja obraštanja na hidrodinamičke značajke broda. Štoviše, ova metoda omogućuje preciznije predviđanje negativnih učinaka obraštanja od onih dobivenih primjenom Granvilleove metode zakona sličnosti, kojom je moguće odrediti samo porast ukupnog otpora obraslog broda. Konačno, ovom metodom je moguće odrediti zaseban utjecaj obraštanja trupa broda i brodskoga vijka na ukupne hidrodinamičke značajke broda.
Verifikacija i validacija
Za potvrdu točnosti i vjerodostojnosti numeričkog postupka, potrebno je provesti opsežan postupak verifikacije i validacije dobivenih rezultata. Postupak verifikacije i procjene numeričke nesigurnosti u određivanju hidrodinamičkih značajki proveden je metodom indeksa konvergencije mreže (eng. Grid Convergence Index, GCI). Validacija dobivenih numeričkih rezultata za glatki brod i brodski vijak u naravi provedena je usporedbom s ekstrapoliranim rezultatima ispitivanja u bazenu, kao i s rezultatima dostupnih numeričkih istraživanja. Postupak validacije numeričkog postupka proveden je usporedbom dobivenih numeričkih rezultata s eksperimentalnim rezultatima studija karakterizacije otpora dostupnim u literaturi. Nadalje, dobiveni porasti koeficijenta otpora trenja primjenom predloženog numeričkog postupka uspoređeni su s porastima koeficijenta otpora trenja dobivenih primjenom Granvilleove metode zakona sličnosti. Promjene značajki otpora i propulzije broda dobivene primjenom novo predložene metode za procjenu utjecaja obraštanja uspoređene su s dobivenim rezultatima predloženog numeričkog postupka.
Znanstveni doprinos
Ovaj rad je rezultirao predloženim numeričkim postupkom modeliranja obraštanja, kao i novo predloženom metodom predviđanja značajki, koji se mogu primijeniti za procjenu utjecaja
obraštanja na hidrodinamičke značajke otpora i propulzije broda u mirnoj vodi. To uključuje određivanje utjecaja obraštanja trupa broda i brodskog vijka na ukupni otpor, otpor trenja, otpor viskoznog tlaka i otpor valova, kao i na strujanje oko trupa broda i brodskog vijka. Nadalje, omogućeno je određivanje utjecaja obraštanja na značajke slobodne vožnje brodskog vijka, koeficijent upijanja, nominalno i efektivno sustrujanje, koeficijent napredovanja za točku vlastitoga pogona, stupanj djelovanja u slobodnoj vožnji, koeficijent prijelaza te kvazi propulzivni koeficijent. Uz to omogućeno je određivanje radne točke brodskog vijka, kao i energetske učinkovitosti broda za različita stanja obraštanja trupa broda i brodskog vijka. Procjena ovih utjecaja može se koristiti u alatima za optimizaciju rasporeda čišćenja trupa broda i brodskog vijka, gdje je predviđanje optimalnog vremena čišćenja od presudne važnosti. Dobiveni rezultati ukazuju na važnost čišćenja trupa broda i brodskog vijka. Glavni znanstveni doprinosi sastoje se od predloženih modela funkcija hrapavosti za određivanje otpora trenja površina prekrivenih biofilmom te njihova implementacija u programski paket za RDF, određivanje utjecaja biofilma na značajke otpora i nominalnog sustrujanja broda, značajke slobodne vožnje brodskog vijka i propulzijske značajke broda. Daljnji znanstveni doprinos je implementacija modela funkcije hrapavosti za određivanje otpora trenja površina prekrivenih tvrdim obraštanjem, određivanje utjecaja tvrdog obraštanja na značajke otpora i nominalnog sustrujanja broda, značajke slobodne vožnje brodskog vijka i propulzijske značajke broda. Konačno, znanstveni doprinos predstavlja novo predložena metoda za brzu procjenu utjecaja obraštanja na značajke otpora i propulzije broda. |
