Yakıt tüketimini ve emisyonlarını azaltmak, deniz endüstrisi için en iyi önceliktir, gemilerin yaşam boyu önemli bir miktarda yakıt tasarrufu ve operasyonel maliyetleri yakmaktadır. Drag - Bir gemi su yoluyla hareket ettiği gibi bir araya gelir - yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş
Ansys Fluent gibi C ⁇ Akışkanlar Dinamik (CFD) yazılımlar, mühendislerin bu karmaşık sıvı yapı etkileşimleri yüksek sadakatle modellemelerini sağlar, deniz tekneleri üzerinde etkisi olan çeşitli kaplamaların performansını basitleştirir. Bu yaklaşım, tasarım döngüsü hızlandırır ve pahalıya kadar tank deneyleri için ihtiyaç duyar ve azaltılabilir.Bu makale, yüzey kaplamalarının deniz tekneleri üzerinde nasıl etkilendiğini araştırıyor.
Deniz Gemilerinde Drag Fiziği
Bir gemide hull iki birincil bileşenden oluşur: baskı (veya form) sürüklenme ve sürtünme (veya cilt sürtünme) sürüklenme. Basınç sürüklesi, hull'un şeklinden doğar ve sınır tabakasının ayrılması, oar stresi ıslak yüzeydeki sıvı tarafından ortaya çıkarılırken. Tipik haçlı yüzeydeki hızları azaltır.
Sınır tabakası - hull yüzeyinin ince bölgesi - bir türkümlü sınır katmanında, momentum transferi yüksek, daha yüksek bir hear stresiyle sınır tabakasını değiştirebilir, su ve hull arasındaki bağlantı alanını değiştirebilir. - örneğin, hidrofobik kaplamalar yeniden şekillendirir ve yüzeydeki bir ısıyı üreten bir tabaka oluşturabilir.
Reynolds sayısı (Re) akış rejimini karakterize eder. Büyük gemiler için Re, 10'u aşabilir)[Dönetici: 1 ), sınır tabakasının hull'un çoğu üzerinde tam olarak çalkantılı olduğu anlamına gelir.
Drag Azalt için Yüzey Kaplamaları
Hidrofobi ve Superhidrfobik Kaplamalar
Hidrofobik kaplamalar, bir kayma uzunluğu parametresi ile temas açısına sahiptir (göpeksel hızın 150 °'ye kadar fazla olması gerektiği gibi). Bu kaplamalar, duvardaki kısmi kaymayı teşvik ederek sürüklenir.In Simülasyonlarda, bu kayma uzunluğuna bağlı olarak tipik olarak uzun süre boyunca ısıtılır.
Textured ve Bio-Inspired Surfaces
Hızlı parmak izi köpekbalığının derisi tarafından ilham alın, riblet yüzeyler - verilen hull şekli ve hız için optimize edildiğinde, ansiklopedlerin (bumps) sıralanan uçları kısıtlayarak, Ansys Fluent ile yapılan çalışmalar, ribletsinlerin belirli bir hull şekli ve hız için optimize edilebilir% 5-10 oranında azaltabileceğini gösteriyor.
Hava-Lubrikasyon Kaplamaları
Bazı gelişmiş kaplamalar, kısmi bir gaz tabakası oluşturmak için hull alt boyunca aktif olarak enjekte veya tuzak havalar.Asys Fluent multifaz modelleri (örneğin, Akışkanlar veya Eulerian multifaksiyon) hava-su arayüzünü ve sonucun azaltılmasını simüle edebilir. Bu sistemler teorik olarak 10-20% net enerji tasarrufunu elde edebilir, pratik uygulama hava ve hull geometrisinin dikkatli bir şekilde yönetilmesini gerektirir.
Tamamlayıcı ve Damping Kaplamaları
Yumuşak polimer malzemelerden yapılan kaplamalar, türbülan enerji ve gecikme geçişini absorbe eder. Etkileri daha düşük Reynolds sayılarında en belirgindir, ancak deniz ortamlarındaki dayanıklılık ve uzun vadeli performansları hala soruşturma altında.
C ⁇ Akışkanlar Ansys Fluent ile Akışkan Dinamikleri
Ansys Fluent, sıvı akışı, ısı transfer ve multifaksiyon etkileşimleri için kapsamlı bir araç sunuyor. For hull kaplama çalışmaları, yazılımların sağlam ağlama yetenekleri, türbülans modelleri ve kullanıcı tanımlı fonksiyonlar (UDFs) yüzey tedavilerinin inceliklerini modellemek için idealdir.
Bir Simülasyonu Ayarlayın
İlk adım, hull geometrisinin 3D modeli oluşturmak, genellikle bir CAD dosyası olarak ithal edilir. Hesaplama alanı genellikle sınır müdahalesinden kaçınmak için yeterince büyük: düşük sayılı modeller için 1'in üzerinde bir y+ değeri elde etmek için seçilir ve daha sonra uzunluklar yaygındır.
Sınır koşulları, sabit bir yüzeyin, sabit yüzeylerin (veya kütle akışı) arkası, yerel duvardaki sert bir hız veya Fluent'in inşa edilmiş bir duvar modeli olarak tanımlanabilen bir yüzeydir.Kablok yüzeyler için, duvar sınırı koşulu kayma etkisini yansıtacak şekilde yapılmalıdır.
Turbulence modeli seçimi kritik. Deniz akışları için, k- ⁇ SST modeli popüler bir seçimdir, çünkü hem yakın duvarları hem de ücretsiz işitme akışları iyi bir şekilde yakalamak için yeterlidir.Daha ayrıntılı çalışma için kaplama-turbulence etkileşimi, Büyük Eddy Simülasyonu (LES) veya Detached Eddy Simülasyonu (DES) kullanılabilir, ancak bunlar hesaplamalı olarak pahalıdır. Steady RANS simülasyonları birçok parametrik etki için yeterlidir.
Kaplama Özellikleri
Hidrofobik kaplamalar için, anahtar parametre kayma uzunluğudır. Fluent'te, bu duvar hear stres sınırı durumunu değiştirmekle uygulanabilir. Superhidrfobik yüzeyler için hava cepleri ile daha ayrıntılı bir multifaksiyon simülasyona ihtiyaç duyulabilir: kaplama yüzeyi, ücretsiz duvarlar olarak ayarlanan gaz bölgeleri ile modellenmiştir. Alternatif olarak, basitleştirilmiş bir yaklaşım, içilen alan boyunca, betonlu bir kayma uzunluğu kullanmaktır.
Parlamento yüzeyler için, tam geometrisi doğrudan parlatılabilir, çünkü riblet boyutları sınır tabakası kalınlığından daha büyükse, tam boyutlu hulls için, bu pratik olmayan. yerine, bir eşdeğer kabalık veya anisotropic duvar fonksiyonunun azalması uygulanabilir.
Koşu ve İzleme Simülasyonu
Davayı ayarladıktan sonra, çözücüler sabit RANS için gereklidir, ancak geçici LES birçok zaman adım gerektirir.Informasyonlar hız konsülleri, hear stres dağıtımları, baskı katları ve entegre olmayan durumlar karşılaştırıldığında, sabit RANS'ı ortaya çıkarır.
Vaka Çalışması: Hidrofobik bir Tanker Hull
Modelleme sürecini göstermek için basitleştirilmiş bir tanker hull (örneğin, bir Wigley hull formu veya deniz suyunda 12 düğümden seyahat eden gerçek bir tanker geometrisi) dikkate alınır. hull uzunluğu 250 m ve Wilson sayısı yaklaşık 1.1×10). 50 μm uzunluğundaki bir kaybolarak bir yüzeye uygulanır.
Hesaplama alanı boyutları ile oluşturulur: 1000 m upstream, 1500 m downstream, 500 m geniş ve 300 m derin. 8 milyon hücreli bir örgülü (yaklaşık 20 μm) tabakalar y+ - 1. k- ⁇ SST turbulence modeli kullanılır.
Sonuçlar, kaplamanın yüksek hızlı aktığının toplam % 12'sini gösteriyor.Delocity profillerinin neredeyse değişmediği sırada, duvardaki sıvı hız artık sıfır değil, ancak kapsadığı yüzeyin yaklaşık 0.2'si üzerindedir.
Akış görselleştirme, sınır tabakasının aşağı uçmasına biraz kalınmasını ortaya çıkarır, ancak ayrımda olumsuz etkiler yoktur. Simülasyon, kaplamanın orta bölüm ve hull'un en büyük fayda sağladığını doğrulamaktadır.
Simülasyon Sonuçları
Kaplama performansını değerlendirdiğinde, birkaç metrik karşılaştırılmalıdır:
- [FONT:0)Toplu sürüklenme katsayısı (C[D][/FONT:2)[D][/FONT:2)[D][/FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=I=I=I=FONT=FONT=I=I=FONT=I=I=I=TRNT=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=)))))))))
- [FONT=0)Frictional drag kat (C[DÜT:1)[DÜDÜ:2)[DÜDÜ:2)[DÜDÜ: 3)[DÜye Olmayanlar: 3 )
- [FONT:0)Wall Shear stres dağılımı[[Dönetici: 1) - uzaysal haritalar kaplamaların en etkili olduğu yüksek stres alanları gösteriyor.
- [FONT:0)Velocity profilleri[[Dönetici:0)[Döneticileri ve sınır tabaka şeklini ortaya koyar.
- [FONT:0)Turbulent kinetik enerji) - kaplamanın çalkantı üretimine engel olup olmadığını gösterir.
Birden çok kaplama ile kıyasla (örneğin, farklı kayma uzunlukları, riblet geometrileri veya hava enjeksiyon oranları) belirli bir hull formu ve işletim durumu için optimum kaplamayı tespit etmek için mühendislere izin verir. Hassasiyet analizleri ayrıca kaplamanın etkisini inceleyebilir (örneğin, hidrofobiklüğün kaybı, aşınma)
Önemli bir nuance: Model ölçeğinde sürüklenen bir kaplama, Reynolds sayısı etkileri nedeniyle tam ölçekde daha az etkili olabilir. Ansys Fluent hem ölçekleri hem de sonuçlar ölçeklendirme yasaları geliştirmek için kullanılabilir. Örneğin, sürüklenme yüzdesi genellikle artan Re ile azalır, bu nedenle tam ölçekli tahminler bakım ile yapılmalıdır.
Geçerlilik ve Meydanlar
Deney verilere karşı geçerlilik herhangi bir CFD çalışma için gereklidir.Kapitli düz plakalarla veya basit hull modelleri, basit geometriler ve iyi niyetli kaplamalar için ölçümler için iyi bir şekilde gösterilmiş, ancak diskrepanzisyonlar birkaç kaynaktan ortaya çıkabilir:
- [FONT:0)Mesh kararı:[Dönetici: 0,0)Ortak bir yüzeydeki sınır tabakasını tamamen iyi bir ağ geçidi gerektirir. Superhidrphobic yüzeyler mikrotextures talep ağlarıyla onlarca milyonlarca hücreye sahiptir, genellikle tam hulls için pratik sınırların ötesinde.
- [FONT=0]Turbulence modeli doğruluk:[Dönetici: 0D:0) Hiçbir model tüm akışlar için mükemmel değildir. k- ⁇ SST modeli bazı durumlarda aşırı yükleme ve aşırı tahmin etme eğilimindedir. LES daha doğru ama çok daha pahalı.
- [FONT=0)Multifaksiyon modellemesi: [Dönetici: [Dönetici: 0,4] Hava kaplamaları için, hava tabakasının davranışı yüzey gerilimi, hava enjeksiyon oranı ve hull hareketi. Basitleştirilmiş modeller önemli dinamikleri kaçırabilir.
- [FONT:0)Küresellik:[Dönetici:[Dönetici:0)Koating Mechanic:[Dönetici:[Döneticileri ideal olarak hareket ettiriyor, ancak gerçek kaplamalar bozuluyor, foul veya hasar görmüş durumda. CFD, bir bakım döngüsü üzerinde performansı tahmin etmek için parametre sübvansiyonunu modelleyebilir.
Pratik İmplikasyonlar ve Future Yollar
Pratik bir bakış açısıyla, deniz operatörleri yıllık net yakıt tasarrufu ile ilgileniyor ve verilen bir kaplama ile kullanılabilir. Fluent çalışmaları, güç tasarrufuna doğrudan bağlı olarak enerji tasarrufu sağlayan düşük maliyetli bir yük azaltımı için, yıllık olarak birkaç bin ton yakıt tasarrufu sağlayabilir ve CO) emisyonu on binlerce tonluk bir şekilde besleyebilir.
Uluslararası Deniz Örgütü (IMO) Enerji Verimliliği Tasarımı Endeksi (EEDI) ve Karbon Intensity Göstergesi (CII), verimlilik geliştirmelerini sağlamak için sahipleri ittir. CFD-validated kaplamalar bu hedeflere ulaşmak için düşük riskli bir yol sunar.
Yüzey teknolojisindeki Future gelişmeler, yük koşullarına (örneğin, elektrikli alanların kaymasını kontrol etmek için) yanıt verme yeteneklerini değiştirebilecek “akıllı” kaplamaları içerir ve sürüklenme sırasında biyofoulinge karşı dayanıklı kaplamalar sağlar. Ansys Fluent'in kullanıcı tanımlı fizik (UDFs ve UDSs ile) bina prototiplerini keşfetmeden önce bu yenilikleri araştırmak için ideal bir platform yapar.
Ek olarak, optimizasyon algoritmaları ile darbe (örneğin, komplikeli çözücü veya genetik algoritmaları) otomatik olarak verilen bir hull için optimal kaplama modelini veya doku bulabilir. Ansys Fluent's oint handikozs duvarlarına saygı ile ilgili hassasiyetleri duvar kayma veya kaba dağıtıma göre hesaplayabilir, yeltenme ve kaplama ko-optimizasyonuna olanak sağlayabilir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Yüzey kaplamaları, deniz gemilerinde sürüklenme ve hava yağlanma sistemlerini azaltmak için en umut verici ve ölçeklenebilir teknolojilerden birini temsil eder.Gerçek simülasyon azaltımı, kaplama varyantlarını tahmin edebilir ve tam ölçekli denemelerin maliyeti ve zamanını optimize eder.
Süreç - geometri yaratımından, ağlama, sınır koşulu kurulumundan, işlem sonrası için -kullanıcı modelleme, duvar tedavisi ve kaplama parametresi oluşturma konusunda dikkatli olun.Internal and Surfaceization, CFD çalışmaları Ansys Fluent ile güvenilir ve anlaşılır bir şekilde çalıştırmaya devam edin.