Date 2012 Author
Jong, Pepijn de
Address
Delft University of Teclinology
Siiip Hydromeciianics Laboratory
I^el<eiweg 2, 2628 CD Delft
Delft University of Technology
TUDelf
Z e e g a n g s g e d r a g van s n e l l e schepen
door
Pepijn de Jong
Report No. 1 8 1 4 - P 2012
Publicatie SW2 | Maritime, J a a r g a n g 1 3 3 , j a n u a r i 2 0 1 2
Page / o f 1/1
Veiligheid
a
u
r
i
i
U n i s a f e M a r i n e Firefighfing & Safety Equipment Tinnegieterstraat 7 - 9 3194 AL Hoogvliet Tel.+31 (0)10-295 2710 Fax+31 (0)10-295 2709 E-mail: unisafe@total-care.nl Website: www.unisafe.nl
Vessel Management
Q - S h i p p i n g B V Oever 7 31B1 GR Rhoon info@q-sliipping.nl www.q-shipping.nl SS55 Lloyd's R e g i s t e r Weena Zuid 170 3012 NC Rotterdam Tel. 010 - 201 84 47 Fax 010 - 4 0 4 55 88Yacht Management
Q - S h i p p i n g B V Oever 7 3161 GR Rhoon info®q-shipping,nl www.q-shipping.nlVerwarmingssystemen,
verkoop en onderhoud
H E A T M ASTER
H e a t m a s t e r bvIndustrial & Maritime heating systems Grotenoord 1
3342 GS Hendrik Ido Ambacht Postbus 252 3340 AG Hendrik-ldo-Ambacht T e l . + 31 78 - 6 8 23 404 Fax+ 31 7 8 - 68 23 403 Email: info@heatmaster.nl www.heatmaster.nl
Heatmaster, your hottest innovator
Voor al uw maritieme zaken
M a r i n e S e r v i c e s w w w . s u r v e v o r s . n l RO. Box 2119 1990 AC Velserbroek Tel: +31 (0) 23 5490335 E-mail: info@surveyors.nl - R e c o g n i s e d Organisation of the
Republic of Vanuatu to survey and issue Statutory Certificates for A l l Vessels up to 1000 GT
- Survey Bureau for Survey and Issuing of Statutory Certificates on behalf of various other flag s t a t e s .
- I.S.M. code S.M.C. and D.O.C. audits on behalf of various flag states
- Flag State Inspections (A.S.I.) Barbados, Panama, Vanuatu.
- A l l other type of survey programmes upon request. B u r e a u V e r i t a s b.v. Vissersdijk 223-241 3011 GW Rotterdam Postbus 2705 3000 CS Rotterdam Tel. 010 2822666 Fax 010 2411000 E-mail: hrmnld@nl.bureauveritas.com
SWZ Maritirre wordt uitgegeven door de Stichting Schip en Werf de Zee (SWZ), vjaarin participeren de Koninldiike Nederlandse Vereniging van Technici op Scheepvaartgebied (Kl^JVfSl en de Slichting de Zee. SWZ Maritime is tevens het verenigingsblad van de KNVf S.
SWZ is de eigenaar en de uitgever van de titels Scliip & Werf de Zee en SWZ Maritime.
Het besluur van SWZ wordl gevormd door de participanten in SWZ, die elk vier bestuursleden benoemen uit de doelgroepen van de leïers en bestaat uit de volgende personen:
Namens de KNVTS: Ir J.fl. Smit, voorzitter Prof Ir S. Hengst, penningmeester lr.S.G.Tan(MARIN|
Ing.H.P.F.VoorneveldlVNSII Namens de Stichting de Zee:
Mr. G.X. Hollaar (Kon. Vereniging van Nederlandse Redersl
Capt. F.J. van Wijnen (Nederlandse Vereniging van Kapiteins ter Koopvaardijl H.J.A.H. Hylkema (Nautilus N U
lng.F.tantsheer(KNMIl Verschifnt 11 maal per )ear Houfdredacteur Ir. H. Boonstra Eindredactie: Mevr. M.R. Buitendijk-Pijl MA
Redactie; Ing. H.R.J. Akerboom, G.J. de Boer, M. van Dijk, H.R.M. Dill, Mevr. Ing. A. Gerritsen, Ir J.H. de Jong, Ir. W. de Jong, H.S. Klos, Capt. H. Rooida, Ing. S. Sakko, Jeroen Taen (SG William Froudel
Redactie Adviesraad: Mevr. A.A. Boers, M. de Jong, Ir E.W.H. Keizer, Ir. G.H.G. lagers, M r K. Polderman, E. Sarton, l Wesira, J.K. van der Wiele Aan SWZ Maritime werken regolmatig mee: Ir G.H.G. Lagers Ir C.J. Verkleij, H.Chr de Wilde, A A. Costing
Redactieadres; Mathenessedaan 185,3014 HA Rotterdam, telefoon 010 - 241 74 35, fax 010 - 241 00 95, e-mail swz.rotterdam®planet.nl Website: www.swzonline.nl
Uitgeerpartner: MYbusinessmedia; Marjan leenders, uitgever a.i. Essebaan 63c 19,2908 I J Capelle aan den IJssel,
Postbus 8632, 3009 AP Rotterdam, telefoon: 010-289 40 08 (abonnementenl, 010-289 40 75 (overig), fax: 010-289 40 76.
e-mail: swz.klantensen/ice@mvbusinessmedia.nl Advertentie-exploitatie:
MYbusinessmedia Lian Gebhardt, verkoopleider Postbus 8632,3009 AP Rotterdam telefoon: 010-289 40 84, fax: 010-283 40 61 e-mail: I.gebhardt@mybusines5media.nl
Alle advertentiecontracten worden afgesloten conform de Regelen voor het Advertentiewezen gedeponeerd bij de rechtbanken in Nederland. Abonnementen:
Nederland 6 102.75. buitenland E 141.65 (zeepost). E 150,10 (luchtpost). Losse exemplaren E17,50. Studentenabonnement E 39,95 (alleen met bewijs van inschrijving). Alle prijzen zijn excl. btiv.
Abonnementen worden tot wederopzegging aangegaan. Opzegging kan uitsluitend plaatsvinden door drie maanden voor het einde van de lopen abonnementsperiode een aangetekende brief te sturen naar: Mathenesserlaan 185,3014 HA Rotterdam voor leden van de KNVTS, Postbus 8575,3003 AN Rotterdam voor leden van Nautilus NL, Postbus 8632, 3009 AP Rotterdam voor overige abonnees. Moet het veaendadres gewijzigd worden, stuur dan het etiket met verbi adres teiug.
Opmaak
De Opmaakredactie, Doetinchem Druk
Drukkerij Tesink, Zutphen
Hoewel de informatie, gepubliceerd in deze uitgave, zorgvuldig is uilgez en waar mogelijk is gecontroleerd, sluiten uitgever, redactie en auteurs uitdnjkkelijk iedere aansprakelijkheid uit voor eventuele onjuistheid en/i onvolledigheid van de verstrekte gegevens.
Reptorecht: Overname van artikelen is alleen toegestaan na toestemm van de uitgever
ISSN 1876 - 0236
Onderzoek
Doordr.ir. P. de Jong
Pepijn tfe Jong pronweerde in 2fl?ï san de ÏU Oetft met een pfoefschfift over het ïeegangsgedrsg van snelle schepen en is ïiu verbonden als universitair docent aan
de sectie Schespshydromechanica en-constructies
Zeegangsgedrag van 5
pAm^lmi
Hoewei er een breed scala aan mogelijkheden bestaat om snel te varen op zee,
variërend van draagvleugelboten, multi-hulls, hovercraft, tot zelfs Wing in
Ground vehicles, wordt voor veel toepassingen de voorkeur gegeven aan de
re-fatief eenvoudige en robuuste mono-huil. Typische toepassingen zijn
patrouille-schepen voor marine, kustwacht en politie, reddingsboten voor instanties als
de KNRM en offshore crew suppliers mor de offshore-industrie die snel
goede-ren en mensen kunnen vervoegoede-ren naar offshore installaties. Dit artikel
be-schrijft het onderzoek aan snelle schepen dat de afgelopen jaren is uitgevoerd
in het kader van het promotieonderzoek van de auteur bij de sectie
Scheeps-hydromechanica aan de TU Delft.
Vanaf ongeveer 1890 toen de eerste gemotoriseerde snelle schepen verschenen - t o r p e d o b o t e n en torpedobootjagers - t o t de jaren tachtig van de vorige eeuw lag de nadruk in het ontwerp van snelle schepen op het optimaliseren van de vlakwaterweerstand en leidde tot het gebruik van relatief vlakke spanten (een lage vlaktilling) om zoveel mogelijk hydrodynamische druk om te zetten in hydrodynami-sche lift en zo het schip te laten planeren.
Extreme gedragingen
Door de toenemende toepassing van snelle schepen op zee bleek deze optimalisatie echter te resulteren in incidenten met deze sche-pen. De relatief lage vlaktilling leidde tot het zeer frequent optreden van impacts van de boeg (slamming) in golven, vooral varend tegen de golven in, met als resultaat zeer hoge verticale versnellingsni-veaus van ver boven de 5 g. Het gevolg was niet alleen schade aan de scheepsconstructie, zowel direct als op de lange termijn door vermoeiing, maar ook vermoeidheid en, zelfs ernstiger, persoonlijk letsel bij bemanningen en passagiers.
Niet alleen het gedrag in van voor inkomende golven bleek bepa-lend voor de veiligheid. Ook het gedrag in van achter inkomende golven bleek problematisch door het optreden van bow-diving, waarbij surfen van een schip op de voorkant van een golf leidt tot het ploegen van de boeg in de achterzijde van de volgende golf, en broaching, waarbij surfen gevolgd w o r d t door een snelle, grote koerswijziging (gierbeweging), die te hevig is om nog gecompen-seerd te worden door de roerganger. Bow-diving leidt tot het over-nemen van grote hoeveelheden water. Broaching kan gepaard gaan met sterk overhellen van het schip of zelfs kapseizen. Vanuit het oogpunt van veiligheid zijn deze gedragingen zo mogelijk nog ge-vaarlijker dan slamming. Echter doordat surfen, bow-diving en
broa-ModelAxe Sou
m de sleeptank
van de TU Delft
ching complexe gedragingen zijn en relatief zeer weinig voorkomen zijn modeltesten lastig u i t t e voeren, duren ze lang en zijn ze duur. Daarnaast blijkt het erg lastig goede voorspellingen te maken van dit gedrag met bestaande rekenmodellen.
Enlarged Ship en Axe Bow Concept
Naarmate gedragingen zoals slamming, bow-diving en broaching meer aan het licht kwamen, nam de aandacht voor het zeegangsge-drag van snelle schepen in het onderzoek en het ontwerp toe. Ten einde slamming te verminderen werd op de TU Delft het Enlarged Ship Concepf bedacht en naar buiten gebracht in 1995. Later w e r d dit concept doorontwikkeld naar hetAxe Bow Conceptin 2002. Het idee achter beide concepten was hetverlengen van een basiscon-cept zonder het gewicht en de bouwkosten significant toe te laten nemen en het toepassen van scherpere spantvormen in de boeg. Bij
Onderzoek
(a) Enlsrs^dShipConcept
Figuur l Enlarged Sliip Concept, Axe Bow Concept en Wave Piereer Concept
t l
t l
r ' tb) A.<eBo-.vCon«pl (c) Piarcer Concepthet Axe Bow Concept werd dit tot het extreme doorgevoerd en ook nog eens de kiellijn naar de boeg toe naar beneden getrokken. Dit gaf een reductie van de hydrodynamische drukken in de boegregio resulterend in een afname van slamming. Een bijkomend gevolg w a s daarentegen een afname van het planerende gedrag en dus een toename van de weerstand in vlak water. Echter, de totale weerstand in golven bleek w e l af te nemen - uiteindelijk is dat de weerstand die snelle schepen op zee daadwerkelijk ondervinden.
Experimenteel onderzoek
Om h e t g e d r a g van snelle schepen op zee v e r d e r t e onderzoeken w e r d er d o o r d e TU Delft, samen met een aantal partners (US Coast Guard, Koninklijke Marine, Damen en Marin), in 2004 een grootscha-lig onderzoeksproject opgezet, Fast 1. Dit project bestond u i t e e n
1 1 1 1 1 1 1 Filtered 1.: : n _ : •• - • S i n e - f i t
\i i ^
1 \ •" " Crests ' Troughsi i i i i i ; j
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 t [ s lFiguur 2. Tijdsregistratie van liet verticale versnellingsniveau ap de boeg van het Enlarged Ship-model in een regelmatige golf
groot aantal metingen aan boord van KNRM-reddingsboten en pa-trouilleschepen van de Nederlandse en Engelse kustwacht, aange-vuld met interviews met bemanningen. De metingen werden uitge-voerd om het begrip van hetzeegangsgedrag van deze schepen te vergroten en voor het formuleren van limietwaarden voor de inzet op zee. De belangrijkste conclusie die op basis van deze experimen-ten kon worden getrokken, was dat bemanningen reageren op het optreden van grote pieken in de verticale versnelling, voornamelijk door middel van vrijwillige snelheidsreductie, in plaats van op ge-middelden of significante waarden van de bewegingen en de ver-snellingsniveaus. Op basis van deze metingen werden limietwaar-den geformuleerd voor de maximale verticale versnellingsniveaus die aanvaardbaar worden geacht.
Vervolgens werden modelexperimenten uitgevoerd, bestaande uit de hydromechanische vergelijking van drie concepten (figuur 1) voor een patrouilleschip voor zeedienst. De versnellingsniveaus, met name de piekniveaus hiervan, bleken niet-lineairte zijn met be-trekking tot de golfhoogte. Dit niet-lineaire gedrag verhindert het gebruik van lineaire analyse-instrumenten zoals spectrale analyse e n d e RAO. Figuur 2 laat een tijdsregistratie zien van fiet verticale versnellingsniveau gemeten op de boeg van het Enlarged Ship-mo-del in een regelmatige g o l f DuiShip-mo-delijk zichtbaar is de versnellings- ,
50 20 10 5 2 1 0.5 0.1 Prob.orExceedance [90]
6
5 I ^ 50 20 10 5 2 1 0.5 0.1 Prob. ofExceedance(9&] 6 S E 4 Crests - Rayleighdist. Sign. Ampl. 50 20 10 5 2 1 0.5 0.1 Prob. of Exceedance ['ï'o]Figuur 3. Hayleigh-plots van de verticale versnellingsniveaus uit modelmetingen (links: Enlarged Ship Concept, midden: Axe Bow Concept, rechts: Wave Piereer Concept)
Figuur 4. Paneienbeleggingen
piek die iedere golfcyclus optreedt. De gestippelde lijn stelt de bes-te fit van een sinus op deze tijdsreeks voor en geeft aan tioe het signaal door lineaire theorie beschreven wordt: de pieken zijn ver-dwenen.
De Rayleigh-plot kan worden gebruikt als een alternatieve manier om de mate van niet-lineariteit en het optreden van de pieken te kwantificeren. In deze plots is horizontaal de overschrijdingskans weergegeven en verticaal de waarde van de individuele pieken in het signaal. Figuur 3 laat Rayleigh-plots van de verticale versnel-lingsniveaus op de boeg van de drie concepten zien gedurende de metingen. De Axe Bow e n d e Wave Piereer bleken het nog beter te doen dan het Enlarged Ship, dat op zichzelf al een verbetering was ten opzichte van conventionele snelle mono-hulls. De Wave Piereer
bleek echter enorme hoeveelheden water o v e r t e nemen en viel om die reden af. Duidelijk is ook dat de significante versnellingsniveaus (de horizontale rode lijnen) veel minder verschillen laten zien dan de individuele pieken.
aire) toegevoegde massaterm. Deze uitbreidingen hadden een ster-ke verbetering van de berester-kende bewegingsrespons van snelle schepen tot gevolg. Panship bleek geschikt voor bewegingsspellingen in alle golfrichtingen en zelfs in staat broaching te voor-spellen.
Verdere ontwikkelingen
Ondanks dat er grote stappen zijn gezet in het begrip van h e t z e e -gangsgedrag van snelle schepen, blijven er nog genoeg mogelijkhe-den dit type v e r d e r t e verbeteren en de veiligheid en comfort aan boord te vergroten. Op dit moment zijn e r t w e e promovendi aan de TU Delft bezig met het actief controleren van het bewegingsgedrag van deze schepen met zogenaamd sivart control. Hierbij w o r d e n de bewegingen van snelle schepen door middel van thrust control of actief gestuurde appendages gecontroleerd. De sturing van deze mechanismen w o r d t geautomatiseerd door het golfbeeld voor het schip te meten en een rekenmodel te gebruiken om de optimale stand van de gashendel en de appendages continu te bepalen en te regelen. Dit zou bijvoorbeeld 's nachts belangrijke voordelen heb-ben, als het zicht van de bemanning te beperkt is om zelf actief te anticiperen op de golven.
Ook is onlangs gestart met het Fast 3-project, waarin wordt g e w e r k t aan een verdere verbetering van de rekenmodellen en het opzetten van een nieuwe methode om de weerstand van snelle schepen in het ontwerpstadium te kunnen schatten. Ook wordt hier het m a -noeuvreren in schuin achter inkomende golven en broaching verder uitgediept.
H e t p r o e f s c h r i f t w a a r o p dit artikel is g e b a s e e r d k a n w o r d e n g e v o n d e n op d e s i t e v a n d e T U Delft: http://resolver.tudBlft.nl/ u u i d : 8 5 f 7 1 4 3 8 - 8 c 8 3 - 4 e b 5 - b c 5 5 - 1 f d Q 6 8 b 4 1 d e 6
Ontwikkeling van rekenmodellen
De volgende stap in het onderzoek w a s het Fast 2-project. Het doel hiervan w a s het ontwikkelen van rekenmethoden om hetzeegangs-gedrag van snelle schepen te voorspellen in het ontwerpstadium. Er w e r d hierbij gekozen voor Panship (figuur 4), een 3D tijdsdomein-diffractiecode ontwikkeld door Marin, naast een bestaande code Fastship, ontwikkeld door de TU Delft. Fastship is minder fundamen-teel, w e r k t vooral in van voor inkomende golven, maar er kan zeer snel mee w o r d e n gerekend. Panship is meerfundamenteel, maar ook complexer en rekent daardoor significant langzamer. Hoewel theoretisch niet nodig in Panship, w e r d gekozen voor iinea-risatie van de lichaamsrandvoorwaarde om de efficiëntie van de methode te verbeteren. Echter, de werkelijke lichaamspositie en -oriëntatie w e r d behouden bij de berekening van de hydrostatische druk en de ongestoorde golfdruk, leidend tot een semi-niet-lineaire methode. Een aantal uitbreidingen van de basiscode w e r d uitge-w e r k t in Fast 2. Deze uitbreidingen omvatten een afstroomvoor-waarde om de stroming vloeiend te laten afstromen van de spiegel bij hoge scheepssnelheden en een tijdsafhankelijke
(semi-niet-line-FiguurS. Bereliende drui<¥erdeling
Jaargang 133 «januari 2012
