Stad Skipstunnel - sammenligning mellom laboratorietester og CFD-studier

Transkript

1 Til: Fra: Terje Andreassen Arne E Lothe Dato Stad Skipstunnel - sammenligning mellom laboratorietester og CFD-studier 1 FORSØKSOMFANG Det er utført tilleggsstudier av oppførsel av dimensjonerende skip ved seilas fram til og gjennom tunnelen. Disse studiene er utført av eksterne spesialist-firma, hhv MARINTEK, Trondheim (ref. 1), og Force Technologies, Danmark (ref. 2). Tilleggsstudiene er oppsummert i Tabell 1, og er omtalt i de etterfølgende kapitler. I begge studiene er det benyttet to ulike skip, som antas å være i nærheten av de største fartøyene som er aktuelle brukere av tunnelen. For å gi sammenlignbare tilstander, er det benyttet de samme skipene i begge studier. Skipstypene er beskrevet i Tabell 2. Hurtigruteskipet er MS Midnatsol, og modellen som ble brukt av MARINTEK er produsert på grunnlag av tegninger fra dette skipet. Skipet må ansees å være godt utrustet og meget manøvrerbart med gode kraftreserver. Styringen oppnåes ved å vri Azipod-hodet på hver side, eller å variere turtallet. Manuell styring ved hjelp av to Azipod er kan være utfordrende på grunn av sensitiviteten og fordi man skal manøvrere to enheter samtidig. Containerskipet er en generisk type som det er produsert mange varianter av. Det er enklere utstyrt, med en konvensjonell propell akter og ror. Selv om skipet i utgangspunktet har dårligere manøvreringsegenskaper enn Hurtigruteskipet, kan det være enklere å styre fordi det kan antas å være mer retningsstabilt. Tabell 1 Oversikt over tilleggsstudier TEMA UTFØRT AV KONTRAHERT AV RESULTAT Laboratorieforsøk med seilas av dimensjonerende skipstyper inne i tunnelen MARINTEK, Trondheim Kystverket i samarbeid med Norconsult Testing av retnings-stabilitet, effektforbruk og begrensninger i hastighet i tunnelen Computational Fluid Dynamics (CFD) studie av skip/kanal-effekter; utført i numerisk modell FORCE Technology, Lyngby, Danmark Norconsult / Olav Olsen Beregning av motstand og retnings-stabilitet Side 1 av 6

2 Tabell 2 Skipstyper anvendt i alle studier Parameter MS Midnatsol Containerskip Modellskala (MARINTEK, FORCE CFD) 1 : : 27.5 Lengde Lpp 135 m (i hht MARINTEK) (i hht Force) 155 m Bredde B 21.5 m 22.3 m Dypgang T 5.1 m (i hht MARINTEK) 4.9 (i hht Force) 7.0 m Neddykket tverrsnittsareal A 110 m m 2 Blokkeringsfaktor Framdrift og styring 2 stk Azipull thrustere akter 1 propell + ror Sidethrustere ikke brukt under testing ikke brukt under testing Tabell 3 Forsøksparametere, MARINTEK og Force PARAMETER Laboratorietesting (MARINTEK) CFD-studie (Force) Skipstyper Hurtigrute og containerskip Hurtigrute og containerskip Vanndyp Middelvann = 13.2 m, LAT = 12.0 m, LAT-1.2 = 10.8 m Middelvann = m, LAT = 12.0 m, Strømhastighet -1.0, -0.5, 0.0, 0.5, 1.0 m/s Strømhastighet og skipshastighet er Fart under seilas variabel ( ) m/s samlet i en vektor 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 m/s Posisjon i kanal sentrert i kanalen sentrert i kanal og inntil én side TEORETISKE MODELLER Det er kjent fra virkeligheten og fra tilsvarende forsøk at motstanden i kanalen skyldes at det vannet som fortrenges av skipet (når det beveger seg framover) nødvendigvis må flytte seg bakover rundt og under skipet. Dette fører til en økt motstand, og til at hastigheten på siden øker, og det fører igjen til et trykkfall og at vannstanden langs skipssiden synker. Ved en kritisk hastighet er det ikke lenger mulig å øke hastigheten, og all økning i framdriftskraft går i stedet med til å presse skipet ned og til å skyve vann foran skipet. Teoretiske studier antyder at den kritiske hastigheten for de to aktuelle skipstypene i Stad-tunnelen er 4 5 knop ( m/s). Den setningen som skipet opplever når vannstanden rundt skipet synker, kalles ofte «squat». Det finnes flere undersøkelser og empiriske modeller for hvor stor setning et skip vil få når det seiler i en kanal eller i grunne farvann. En del slike metoder er referert i en PIANC-publikasjon (ref. 1). Setning av et skip kan inntreffe når skipet seiler i grunne området uten noen kanal (uendelig grunt område), i en mudret undervannskanal, eller i en kanal med tørre sidekanter Side 2 av 6

3 Følgende metoder er oftest benyttet. 1. Huuska (1976) Uendelig grunt vann, undervanns- og tørr sidekant-kanal; baug-setning 2. Milward (1990) - Uendelig grunt vann; baug-setning 3. Milward (1992) Revidert utgave, Uendelig grunt vann; baug-setning 4. Barrass (1981) - Undervanns- og tørr sidekant-kanal; maksimalverdi av setning 5. Rømisch (1989) - Uendelig grunt vann, undervanns- og tørr sidekant-kanal; baug- og aktersetning Av disse metodene er det 1, 4 og 5 som er anvendelige i Stad-tunnelen. Et eksempel på resultat er vist i Figur 1. Denne figuren viser at metode 1 Huuska og 4 Barrass gir tilnærmet identiske resultat, mens metode 5 Rømisch gir betydelig høyere verdier av setning. Metode 5 Rømisch viser imidlertid at det er forventet noe større setning akter enn i baugen. Figuren viser også tydelig hva som vil skje ved den antatt kritiske hastighet; at setningen øker dramatisk og at motstanden følgelig øker. Vi vet ikke årsaken til den store forskjellen mellom metode 1, 4 og metode 5. Det kan ha en sammenheng med skrogform eller med kanalgeometri. Vi ser at forskjellen mellom metoden blir mye mindre dersom vi velger en breiere kanal, som vil være mer representativ for typiske kanaler i f eks Europa og Nord-Amerika. Det er naturlig å tro at en så smal kanal som den som er planlagt ved Stad vil være utenfor gyldighetsområdet til Rømisch s teori. Figur 1 Eksempel på resultat av teoretiske setningsberegninger for containerskip ved vanndybde 13.2 m RESULTAT FRA TESTER Det er vist i tidligere studier (både eksperimentelt og teoretisk) at motstand og setning avhenger av skipets hastighet (inkludert eventuell motstrøm) og blokkeringskoeffisienten C, som angir hvor stor andel av kanaltverrsnittet som opptas av skipet: der C = As/Ach; As Ach = skipets tverrsnittsareal (= bredde x dypgående) = kanalens tverrsnittsareal ved aktuell vannstand. Vi har to skipstyper som er testet ved 2 (Force) og 3 (MARINTEK) vanndyp og det gir et stort antall observasjoner av (C, setning) Side 3 av 6

4 I øyeblikket ser vi bort fra at det er to ulike skipstyper og lar skipene være representert ved sin C-verdi. Samtlige observasjoner fra de to undersøkelsene kan da samles i ett diagram, som vist i Figur 2. (Beregninger fra Force der skipet ligger inntil en av sidene i tunnelen er ikke medtatt.) Figuren er komponert på følgende måte slik at den skal være lettere å forstå. Observasjoner fra CFD-studien ved Force er vist som svart strek for høy C-koeffisient (C = 0.35 og 0.38) og rød strek for lav C-koeffisient (C = 0.22 og 0.24). Observasjoner fra MARINTEK er vist som enkeltmarkører med svarte markører for høye C- verdier (C = 0.36 og 0.40), og røde markører for lave C-verdier (C = 0.23 og 0.25). Mellomliggende C-verdier er vist med grønn markør og med kryss. Figur 2 Samtlige observasjoner av midtskips setning vs hastighet for ulike C-verdier. Se også teksten for supplerende forklaring. Det er noe spredning i observasjonene fra Marintek, men ikke større enn at det går an å se en trend i data, dvs at det er en moderat setning på cm helt opp til ca 2.0 m/s for alle tilfeller, og deretter øker setningen, og øker mest for høye verdier av C. Av alle testene som har vært kjørt ved Force og MARINTEK er det kun én test ved MARINTEK som med sikkerhet kan sies å ha vært nær kritisk hastighet. Det gjelder ett tilfelle der containerskipet ble kjørt gjennom kanalen med en hastighet på 2.6 m/s (5 knop) i 0.5 m/s motstrøm, dvs en antatt total fart gjennom vannet på 3.1 m/s. Resultatene fra Force viser naturlig nok ikke samme spredning, men det er noen uforklarlige utslag for hastighet 2.5 m/s. Forklaringen på tallene fra CFD-studien fra Force kan søkes i ulik setning i baug og akter. I forsøkene fra Marintek har man rapportert setningen midtskips, og i tillegg rapportert skipets trim, dvs endringen i vinkelen som skipets kjøl danner med horisontalplanet. Generelt er det neglisjerbar trim som er observert ved laboratorietestene ved MARINTEK. CFD-studiene fra Force viser imidlertid betydelig større effekt av trim. Figur 3 viser rapporterte verdier av setning ved baug og akter for alle tester med skipet midt i kanalen ved Force. Her er Side 4 av 6

5 observasjonene vist for ulike C-verdier som før, men kurvene er «paret», slik at f eks rød heltrukken og rød stiplet linje viser setning ved C = 0.38 for hhv akter og baug. Kurvene er også markert med C: for containerskip og M: for MS Midnatsol. Denne figuren viser at MS Midnatsol har en neglisjerbar forskjell på setning ved baug og akter, mens det for containerskipet er anslått at akterenden vil sette seg mellom 1.8 og 2.15 m, mens baugen vil heve seg mellom 0.5 og 1.0 m. Det er vanskelig å se hvorfor setningen både forut og akter skal bli mindre ved 2.5 m/s enn ved 2.0 m/s. Figur 3 Observasjoner av trim ved baug og akter fra CFD-studier. Sammenhørende verdier er vist med samme farge, og akter er vist med heltrukken linje og baug med stiplet linje. C: markerer containerskip, og M: markerer MS Midnatsol. SAMMENLIGNING MED TEORI Vi er nå i stand til å sammenligne resultater fra undersøkelsene med gjeldende teori. Basert på gjennomgangen av de teoretiske modellene ovenfor, er det naturlig å velge metode 1 eller 4. Disse gir tilnærmet samme resultat, og vi velger derfor å basere sammenligningen på metoden beskrevet av Barrass (ref. 1). Samtidig velger vi å se bort fra resultatene fra CFD-analysen med bakgrunn i tallene som er vist i Figur 2 og Figur 3. Resultatene for MS Midnatsol er i nærheten av realistiske og forventede verdier, men når den samme teorien gir resultater for containerskipet som ligger langt utenfor det som både gjeldende teori og laboratorieforsøkene viser, antyder det at det er forhold i virkeligheten som ikke er tatt tilstrekkelig hensyn til i modellen. Resultater fra teorien til Barrass med to skipstyper, vanndybder og hastigheter er sammenlignet med observasjoner fra laboratoriet ved MARINTEK i Figur 4. Det er utført for få forsøk i laboratoriet til at det er mulig å formulere en ny teori eller fordeling på bakgrunn av disse forsøkene, men det er generelt et forholdsvis godt samsvar mellom teorien og de nye laboratorie-resultatene. Ved en hurtig-evaluering av Figur 4 skulle en perfekt tilpasning vise at de svarte markørene ligger nær de svarte linjene, og de røde markørene burde ligge nær de blå linjene Side 5 av 6

6 Figur 4 Sammenligning mellom teori etter Barrass (1981) og observasjoner i laboratorioum (MARINTEK) DISKUSJON Vi har ikke funnet noen årsak til at det er vanskelig å oppnå stabile og rimelige resultater med CFDmodelleringen. På den annen side er laboratorieforsøkene utført med så god reproduksjonsteknikk at resultatene herfra vil være pålitelige fordi alle naturlige krefter og effekter vil være til stede i modellen. Man kan imidlertid notere at selv en forutsetningsvis avansert CFD-modell ikke klarer å modellere skipets oppførsel i kanalen. Under brosimulator-forsøkene ble det også notert at skipet ikke oppførte seg som forventet inne i tunnelen. Sett i lys av CFD-resultatene er det derfor kanskje rimelig at skipsdynamikken i brosimulatoren heller ikke gir optimalt resultat, når vi vet at brosimulatorens beregningsmodul nødvendigvis må være en (sterkt) forenklet utgave av CFD-modellen. REFERANSER 1. Hermundstad O, Selvik Ø: Stad skipstunnel - Modellforsøk av gjennomseiling, MARINTEK rapport MT2016 F-125, november Otzen J F m fl: CFD studie af bank og squat-effekter, FORCE-rapport C, 22 December PIANC: Approach Channels - A Guide for Design PTC II-30 Supplement to Bulletin no 95, (June 1997) Notat til Kystverket Arne E Lothe Svend Arntzen Svend Arntzen Versjon Dato Beskrivelse Utarbeidet Fagkontrollert Godkjent Dette dokumentet er utarbeidet av Norconsult AS som del av det oppdraget som dokumentet omhandler. Opphavsretten tilhører Norconsult. Dokumentet må bare benyttes til det formål som oppdragsavtalen beskriver, og må ikke kopieres eller gjøres tilgjengelig på annen måte eller i større utstrekning enn formålet tilsier Side 6 av 6