Расширенное моделирование помогает решить проблему балластной воды

Oct 21, 2023

Тобиас Цорн, Ян Кауфманн, FutureShip и Милован Перич, CD-adapco, 13 февраля 2013 г.

Управление балластной водой создает проблемы при проектировании и эксплуатации судов. Вычислительная гидродинамика (CFD) предлагает решения, связанные с проектированием, утверждением типа и устранением неисправностей.

Вычислительная гидродинамика (CFD) обозначает методы решения уравнений, описывающих физику потока жидкости. CFD в настоящее время широко известен и принят в морской отрасли, но в основном связан с обтеканием корпуса и гребных винтов, например, в контексте проектирования более экономичных судов. Однако CFD во многих отношениях гораздо более универсален, чем классическое тестирование моделей. Одно и то же программное обеспечение может применяться к различным потокам, включая проблемы внутренних потоков. Ключевым преимуществом CFD является понимание деталей потока. Поскольку величины потока вычисляются (и сохраняются) во многих дискретных точках пространства (расчетных ячейках) и для многих временных шагов, при постобработке легко просматривать произвольные поперечные сечения и увеличивать или уменьшать масштаб по желанию. Системы управления балластной водой оказались в центре внимания операторов судов благодаря недавним правилам ИМО, которые стимулируют переход к управлению балластной водой для сдерживания распространения инвазивных видов. Но помимо особенностей новых правил, обработка балластной воды может создать проблемы для операторов судов, где в игру вступают преимущества CFD-моделирования. Следующие тематические исследования иллюстрируют проблемы и решения, взятые из отраслевого опыта.

Пример 1: Одобрение типа на основе CFD В балластных водах судов содержатся растения и животные, которые часто селятся в зарубежных морских регионах, представляя опасность для местной водной среды, потенциально нанося большой экологический, медицинский и экономический ущерб. Растущее судоходство значительно увеличило эту угрозу. «Международная конвенция ИМО по контролю и управлению судовыми балластными водами и осадками» требует наличия плана управления балластными водами. Начиная с 2016 года, все суда должны будут основывать управление балластными водами на очистке балластных вод. Если эта обработка основана на химических подходах, быстрое и эффективное смешивание химического компонента с балластной водой имеет жизненно важное значение для достижения однородной концентрации биоцида. Для утверждения типа новых систем моделирование может быть ценным инструментом. В одном случае FutureShip смоделировал смешивание хлора и балластной воды в трубах во время балластировки. Моделирование CFD использовалось для определения необходимой длины трубы зоны смешивания для обеспечения однородного перемешивания. Моделирование показало, что смешивание в первоначальной конструкции было неэффективным. Очень простые и экономически эффективные изменения геометрии впускного отверстия позволили значительно повысить уровень турбулентности, что привело к значительному сокращению длины трубы для полного смешивания. На рисунке 1 показаны расчетные линии тока и концентрация хлора в смесительной трубе, полученные в результате одного такого моделирования. Власти приняли моделирование в качестве инженерного доказательства для утверждения типа.Практический пример 2: Отложения балластной воды Осадки имеют тенденцию скапливаться в цистернах балластной воды. Они уменьшают дедвейт (полезную нагрузку), ограничивают поток воды, что задерживает дебалластировку, и увеличивают осадку, что приводит к увеличению расхода топлива. В случае сухогруза Capesize судовладелец хотел уменьшить накопление отложений и поручил FutureShip провести подробный анализ и внести предложения по перепроектированию, чтобы свести к минимуму осаждение отложений в балластных танках. В данном случае реальные отложения не моделировались. Вместо этого инженерное понимание облегчает моделирование. Отложения оседают в регионах с низкой скоростью воды, что обычно наблюдается в зонах рециркуляции и застоя потока; их обычно называют регионами мертвой воды. На рисунке 2 показаны отложения в реальном танке балластной воды. Двухфазное (вода и воздух) моделирование потока в балластных цистернах сначала выявило зоны стоячей воды, соответствующие наблюдаемому накоплению отложений в первоначальной конструкции. На рис. 3 показано расчетное распределение скорости у нижней стенки. Затем были рассмотрены различные варианты конструкции цистерн балластной воды с различными расстояниями между ребрами жесткости и вырезами. В результате моделирования была определена альтернативная конструкция с наименьшим осаждением отложений (т.е. с наименьшими участками застойной воды) для будущих заказов на балкеры.