צמצום צריכת הדלק והפליטות הוא בראש סדר העדיפויות של התעשייה הימית, שבו כלי שיט שורפים שמן דלק כבד ומהווים נתח משמעותי של פליטות גזי חממה גלובליות.גרור - ההתנגדות נתקלות בזמן שהיא נעה במים - קובע באופן ישיר כמה כוח יש צורך לשמור על מהירות.אפילו הפחתה צנועה בגרור לחיסכון דלק משמעותי ועלויות תפעוליות נמוכות יותר על פני חיי כלי שיט.

תוכנת Fluid Dynamics (CFD) כגון Ansys Fluent מאפשרת למהנדסים מודל אינטראקציות מורכבות של נוזל-מבנה עם נאמנות גבוהה, סימולטור הביצועים של ציפויים שונים לפני כל יישום פיזי נעשה. גישה זו מאיצה את מחזור העיצוב, מפחיתה את הצורך בניסויים יקרים של טנקים, ומספקת תובנה עמוקה לתוך מנגנוני זרימה אחראי להפחתה זו, חוקרת כיצד ציפויים אלה יכולים להשתמש בדגימות על פני השטח, ואפקטים מעשיים של כלי הציפוי תאים אלה, מציעות, על מודלים מעשיים, על מנת להשפיע על מודלים של תאים אלה, מודלים מעשיים, מודלים של מודלים של תאים, מודלים של תאים ימיים, מודלים של תאים, מודלים של תאים, ומציעים, על מודלים של תאים אלה, על מודלים של תאים גמישים, ומציעים, מודלים של תאים, מודלים של תאים.

הפיזיקה של דרגו ב- Marine Vessels

גרור על ספינה מורכב משני מרכיבים עיקריים: לחץ (או צורה) גרר וחיכוך (או חיכוך עור) גרר לחץ עולה בצורת של השאול והפרדה של שכבת הגבול, בעוד גרור החיכוך נגרמת על ידי הלחץ החרף המופעל על ידי נוזל על פני השטח רטוב.

שכבת הגבול - האזור הדק של נוזל סמוך משטח הירכיים - גרר חיכוך.בשכבת גבול סוערת, העברת מומנטום גבוהה, המוביל ללחץ Shear גדול יותר. ציפויים משטח יכול לשנות את שכבת הגבול על ידי שינוי החוספס פני השטח (אשר משפיע על ייצור טורח) או על ידי הצגת מצב חלקת בקיר.

מספר ריינולדס (Re) מאפיין את משטר זרימת האוויר.עבור כלי שיט גדולים, Remain יכול לעלות על 10FLT:0903FLT:1, כלומר שכבת הגבול היא מטרידה לחלוטין על רוב ה-hull. מתקפלים שעיכוב המעבר לטרף ליד הקשת יכול לספק הטבות נוספות, אך ב-Re גבוה המנגנון הראשי נשאר הפחתה של העור במשטר הסוער.

סוגי משטחים של ריצוף עבור ניכוי

הידרופובי וסופריופוביות מתקפלות

ציפויים הידרופוביים יש זווית מגע עם מים גדול מ -90 מעלות, בעוד ציפוי סופר-hydrophobic עולה על 150 מעלות. ציפויים אלה להפחית את גרר על ידי קידום החלקה חלקית על הקיר.בסימולציות, החלקה הזו בדרך כלל מודל באמצעות פרמטר אורך חלק (המרחק מתחת לקיר שבו מהירות טנגנטיקלית יהיה מוגזם לאפס) ערכים של חלקים ממיקרובים לעשרות חיידקים יכולים להניב 10 תנאים של קרינה - 30 אחוזים, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח של לחץ גבוה, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח של כוחות מעבדה, אך ורק על פני השטח, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם מהירות טנפולט, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם מהירות טנפולט, עם זאת, על פני השטח של מהירות טנפולט, עם זאת, על פני השטח של מהירות טנפולט, בהתאם ל- 10.

שם הסרטון: Whitured and Bio-Inspired Surfaces

בהשראת העור של כרישים מהירים, משטחים riblet - מיקרוסקופיים grooves מיושר עם הזרם - לחנך גרר על ידי הגבלת התנועה של eddies הסוער. CFD מחקרים עם Ansys Fluent מראה כי ribles יכול להפחית חיכוך על ידי 5-10% כאשר מותאם לצורה נתונה ומהירות גבוהה יותר כגון צינורות (מדומים פחות) אבל גם צינורות רלוונטיים (מדומים) כגון צינורות).

Air-Lubrication Coatings

כמה ציפויים מתקדמים באופן פעיל הזריקה או מלכודת אוויר לאורך תחתית הבקתה כדי ליצור שכבת גז חלקית. Ansys Fluent מודלים רב-phase (למשל, נפח של פלויד או רב-פז) יכול לדמות את ממשק המים האוויר-אוויר ואת הפחתת הגרורה.מערכות אלה יכולים להשיג באופן תיאורטי 10-20% חיסכון באנרגיה נטו, אם כי יישום מעשי דורש ניהול זהיר של אווירי גזי אוויר וגיאומטריה.

עקבו אחרי Damping Coatings

ציפויים מורכבים, עשויים מחומרים פולימרים רכים, סופגים אנרגיה סוערת ועיכוב מעבר.אפקט שלהם בולט ביותר במספרים של ריינולדס נמוך יותר, אבל עמידותם וביצועים ארוכי טווח בסביבות ימיות עדיין נמצאים תחת חקירה.

Fluid Dynamics עם Ansys Fluent

Ansys Fluent מספק חבילה מקיפה של כלים לסימולציה של זרימת נוזל, העברה חום ואינטראקציות מרובותphase. עבור מחקרי ציפויhull, יכולות הישבן החזקות של התוכנה, מודלים סוערים, פונקציות מוגדרות למשתמש (UDFs) להפוך אותו אידיאלי עבור מודלים של השפעות עדינות של טיפולים על פני השטח.

קביעת סימולציה

הצעד הראשון הוא ליצור מודל 3D של הגיאומטריה של ה-hull, אשר לעתים קרובות מיובא כקובץ CAD. התחום החישובי הוא בדרך כלל גדול מספיק כדי להימנע מהתערבות הגבול: upstream, downstream, ומאוחר יותר של 2-5 אורכו של אורך היבל הם נפוצים. a unstructured mesh עם שכבות פתע ליד פני השטח של הסס הוא חיוני כדי לפתור את השכבה הראשונה הוא גבוה עבור פונקציות איטיות (n) כמו ird קרוב 30 ird) קרוב ל- ânb קריטי קרוב ânb.

תנאים מטושטשים כוללים אינלט מהיר (או זרם המוני) על פני הזרם למעלה, לחץ החוצה מטה במורד הזרם, מטוסים סימטריה (אם רלוונטי), ואת פני השטח של הירכיים המוגדרות כקיר ללא צלף.עבור משטחים מצופים, תנאי הקיר חייב להיות שונה כדי לשקף את ההשפעה החלקלקה.זה נעשה באמצעות UDF שמציב את המהירות הטנטאלית כתפקוד של קיר מקומי או מגובה באמצעות ממרחק של שפעת.

בחירת מודל Turbulence היא קריטית.עבור זרימת ימיים, מודל k- ⁇ SST הוא בחירה פופולרית כי הוא ללכוד הן ליד קיר ושחרר- Shear זורם היטב.עבור מחקרים מפורטים יותר של אינטראקציה ציפוי-טראומה, אדדי סימלוט (Ddy Simulations) גדול (Dtached Eddy Simulation (DES) ניתן להשתמש, למרות אלה הם יקרים חישוביים.

Defining Coating Properties

עבור ציפוי הידרופובי, פרמטר המפתח הוא אורך החלקה.ב Fluent, זה יכול להיות מיושם על ידי שינוי הקיר שהיאר תנאי גבול הלחץ. עבור משטחים superhydrophobic עם כיסים אוויר, סימולציה רב-phase מפורט יותר ניתן צורך: משטח ציפוי הוא מודל דפוס של מוצק ואזורים גז, עם האזורים שנקבעו כמו קירות חינם-lips, גישה פשוטה יותר לשימוש ניסיוני הוא אורך של נתונים מגובה, מגובה על פני השטח.

עבור משטחים riblet, הגיאומטריה המדויקת של הירכיים ניתן לשקוע ישירות אם הממדים riblet הם הרבה יותר גדול מאשר עובי הגבול, עם זאת, עבור hulls בקנה מידה מלא, זה לא מעשי. במקום, שווה ערך או תפקוד קיר isotropic יכול להיות מיושם. Ansys Fluent מאפשר ספציפי של כיוון של גסות באמצעות מודל "ש" עם גבהים שונים.

לרוץ ולשלוט בסימפוזיון

לאחר הקמת המקרה, המפת מנוהלת עד לייצוב שאריות וכמויות מעקב (למשל, כוח גרר, מעלית, רגע) התכנסות בדרך כלל, 1000-5000 היציאות נדרשות עבור RANS קבוע, בעוד les transient דורשות הרבה זמן. Post עיבוד ב- Fluent או CFD-Post מניב קווי מהירות, Shear התפלגות, לחץ משותף, מיזמים משולבים וערכים לא משולבים.

מחקר: Hydrophobic Coating on a Tanker Hull

כדי להמחיש את תהליך הדוגמנות, לשקול hull פשט (למשל, טופס Wigley hull או גיאומטריה מיכלית בפועל) נסיעה 12 קשרים במי הים.אורך הירכיים הוא 250 מ', ומספר ריינולדס מבוסס על אורך הוא בערך 1.1×10FLT:09FLT:1 ⁇ 1 hydrophobic עם אורך של μm מוחל על פני השטח הוא מלא.

דומיין חישובי נוצר עם ממדים: 1000 מ' upstream, 1500 מ' במורד הזרם, 500 מ' רחב, ו-300 מ' עמוק. a hexahedral mesh של 8 מיליון תאים נוצר, עם 20 שכבות prism נותן y+ - 1. k- ⁇ SST ⁇ SST ⁇ sulfulence מודל הוא בשימוש. 2 מקרים הם vuld: a hu (no-slip) ו-slip) ו-a mped קיר mpd (מחלק mptm).

התוצאות מראות ירידה של 12% בסך הכל גרר עבור הבקתה, עם המרכיב החיכוך יורד על ידי 15% בעוד הלחץ נשאר כמעט ללא שינוי.הפצה של מתח קיר Shear נמוך משמעותית מעל פני השטח המצופה, במיוחד על החלק התחתון והצדדים שבו הציפוי נחשף לזרימה מהירה. Velocity ליד הקיר אפקט ייחודי: המהירות הנוזלית בקיר היא כבר לא 0.1%, ולכן היא מצמצם את המהירות של הרחם.

הדמיה של זרימה מגלה עיבוי קל של שכבת הגבול במורד הזרם, אבל לא תופעות לוואי על הפרדה.הסימולציה מאשר כי הציפוי מספק את היתרון הגדול ביותר בחצי האי וחתיכות של הבקתה, שבו שכבת הגבול מפותחת לחלוטין.

ניתוח תוצאות Simulation

כאשר בוחנים את ביצועי הציפוי, יש להשוות כמה מדדים:

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0)Wall Shear Stress DistributionFLT:1, מפות מרחביות מראות אזורים של מתח גבוה שבו ציפויים יעילים ביותר.
  • (ב) ,0) ,Velocity פרופילssFLT:1 - לחשוף את המצב החלקלק ואת צורת שכבת הגבול.
  • (ב) ⁇ :0) אנרגיה קינטית קינטית קינטית בלתי רגילה (FLT:1), מראה האם הציפוי מדכא ייצור טורחת.

השוואת ציפויים מרובים (למשל, אורך חלקת שונה, riblet Geometries, או שערי הזרקת אוויר) במחקר parametric מאפשר למהנדסים לזהות את הציפוי האופטימלי עבור צורה מסוימת של חולשה ומצב הפעלה. ניתוח רגישות S יכול גם לבחון את ההשפעה של הציפוי (אובדן של הידרופוביות, ללבוש) על ידי צמצום אורך החלקה או הגדלת החוס.

קצב חשוב אחד: ציפוי המקטין את גרר באופן משמעותי בקנה מידה מודל עשוי להיות פחות יעיל בקנה מידה מלא בשל השפעות מספר ריינולדס. Ansys Fluent יכול לדמות את שני הקשקשים, ואת התוצאות ניתן להשתמש כדי לפתח חוקים מדרג. לדוגמה, אחוז הפחתת הגרור לעתים קרובות יורד עם עלייה של Re, כך תחזיות בקנה מידה מלא צריך להיעשות עם טיפול.

אימות ואתגרים

אימות נגד נתונים ניסיוניים הוא חיוני עבור כל מחקר CFD. עריכת בדיקות טנק עם צלחות שטוחות מכוסות או מודלים פשוטים של hull לספק נתונים של הפחתה. עם זאת, ניסויים פיזיים עם ציפויים יקרים וזמניים, ולכן CFD הוא כל כך יקר עבור מועמדים מטה-selecting לפני בדיקות. Ansys Fluent תוצאות הוכחו להסכים עם מדידות גיאו עבור מקורות פשוטים ו-מסוגים, אבל מציפוי של כמה ציפויים יכול להופיע:

  • (FLT:0) רזולוציה של מרש: 1 (Adequate) פתרון שכבת הגבול ליד משטח מכוסה דורש מרש משובח מאוד. משטחים סופרילופוביים עם microtextures דורשים meshes עם עשרות מיליוני תאים, לעתים קרובות מעבר לגבולות מעשיים עבור מלא של hulls. Equivalentness או מודלים באורך מלא לעזור להפחית את זה.
  • מודל מודל דיוק מודל של טטורות: 1FLT:1 לא מודל מושלם עבור כל הזרמים.מודל k- ⁇ SST נוטה להיות תחת הפרדה תת-היתר וחיכוך overpredict במקרים מסוימים.
  • (FLT:0) Multiphase Modeling:FreaLT:1) עבור ציפויים של אוויר, ההתנהגות של שכבת האוויר רגישה למתח פני השטח, קצב הזרקת האוויר, ותנועת ההזרקה של סימולציה עשוי להחמיץ דינמיקות חשובות.
  • (FLT:0) קביעת עמידות: FLT:1 סימלוציות מניחות את הציפוי מתנהג באופן אידיאלי, אבל ציפוי אמיתי מחיתום, רעם, או פגומים. CFD יכול מודל degraded מדינות באמצעות פרמטרים כדי להעריך ביצועים על מחזור תחזוקה.

השלכות מעשיות וכיוונים עתידיים

מבחינה מעשית, מפעילי הים מעוניינים בחיסכון בדלק נטו שניתן להשיג עם ציפוי נתון.מחקרים של Ansys Fluent יכולים לספק את אחוז הפחתת הגרור, המתורגם ישירות לחיסכון בכוח.עבור ספינת מכולה גדולה, ירידה של 10% בגרור יכול לחסוך כמה אלפי טון דלק בשנה ולהקטין את COFLT:02FLT:1 פליטות של עשרות אלפי טון תוצאות של סימולציה יכול לחסוך חיים נגד חסכון ציפוי חיסכון.

לחצים רגולטוריים, כגון מדד האנרגיה של ארגון הים הבינלאומי (IMO) Energy Efficiency Design Index (EEDI) ו- Carbon Intensity Index (CII), דוחפים בעלי לאמץ שיפורים ביעילות. ציפויים מהונדסים על ידי CFD מציעים מסלול סיכון נמוך כדי לעמוד ביעדים אלה.

התפתחויות עתידיות בטכנולוגיית ציפוי כוללות ציפויים "חכמים" שיכולים לשנות את התכונות שלהם בתגובה לתנאי זרימה (למשל, שדות חשמליים כדי לשלוט על חלקלק), ציפויים אשר משחררים באופן פעיל אוויר עם קלט אנרגיה מינימלי, וציפויים עמידים המתנגדים ל biofouling תוך שמירה על הפחתה של גרגרי. Ansys Fluent היכולת של שילוב פיזיקה מוגדרת למשתמש (באמצעות UDFs ו- UDS) הופך את זה אידיאלי עבור חקר אבטיפוסי-טיפוס לפני בנייה.

בנוסף, הפיכה של CFD עם אלגוריתמים אופטימיזציה (למשל, אדנג'ינט פותר או אלגוריתמים גנטיים) יכול באופן אוטומטי למצוא את התבנית הציפוי אופטימלית או מרקם עבור hull. Ansys Fluent של אדמיר יכול למקם את הרגישות של גרר עם קיר להחליק או הפצה גס, המאפשר צורה ו ציפוי משותף.

מסקנה

ציפויי פני השטח מייצגים את אחת הטכנולוגיות המבטיחות והרחבות ביותר לצמצום הגרור על כלי שיט ימיים, המציעים את הפוטנציאל לחיסכון משמעותי בדלק והפחתה של פליטות. Ansys Fluent מספק מסגרת סימולציה עוצמתית וגמישה למודל את ההשפעות הדינמיות הנוזליות של ציפויים - החללק הידרופובי ושכבות אוויריות על-ידי קירור אווירי.

התהליך – מיצירה גיאומטריה, מישבן, קביעת מצב הגבול, הפעלת המפת, לתהליכים שלאחר עיבוד - דורש תשומת לב זהירה להפרעות מודל, טיפול בקיר, ופרמטריזציה ציפוי. למרות האתגרים כגון החלטה Mesh ואימות מודל, מחקרי CFD עם Ansys Fluent הוכחו להיות אמין ותובנה.