T E C H N I S C H E H O G E S C H O O L DELFT AFDELING DER MARITIEME TECHNIEK
L A B O R A T O R I U M VOOR S C H E E P S H Y D R O M E C H A N I C A
TOEPASSINGEN VAN DE BEREKENING VAN
SCHEEPSBEWEGINGEN d o o r
P r o f . i r . J . G e r r i t s m a
J u n i 1 9 8 4
P u b l i k a t i e i n "De Zee" N a u t i s c h Techn. T i j d s c h r i f t , 13e j a a r g a n g n r . 6 .
Delft University o f Technology Ship Hydromechanics Laboratory IVlel<elweg 2
2628 CD D E L F T The Netherlands Phone 0 1 5 - 7 8 6 8 8 2
^ ^ 2
= P
Toepassingen
van de berekenin
van scheepsbewej
in zeegang
ISProf. ir. J. Gerritsma
A l zo'n 25 jaar is men in staat de bewegin-gen van een schip in zeegolven met aan-vaardbare nauwkeurigheid te berekenen als de vorm van het schip, de gewichtsver-deling en het golfspectrum bekend zijn. De snelle ontwikkehng van de computer heeft ertoe bijgedragen dat dergelijke be-rekeningen thans niet alléén uit theore-tisch oogpunt interessant zijn: ook de praktijk gaat hiervan profiteren.
Het is thans mogelijk om in het ontwerp stadium gedetailleerde uitspraken te doen over de zeegangseigenschappen van sche-pen en andere drijvende constructies, zodat onderlinge vergelijking van alterna-tieven mogelijk is.
Daarnaast kan de kennis van de dynami-sche eigenschappen gebruikt worden voor de operationele doeleinden, zoals optima-le routering o f het uitvoeren van offshore werkzaamheden.
Praktische toepassingen in de techniek lopen vaak achter op theoretische ontwik-kelingen en dat is ook hier het geval ge-weest: de optimalisatie van de vorm van schepen met betrekking tot de zeegangsei-genschappen met analytische methoden is pas v r i j recent begonnen.
Omstreeks 1970 werd de Amerikaanse Marine gealarmeerd over de slechte zee-gangseigenschappen van hun destroyers in vergelijking met schepen van de Soviets [1].
Geconstateerd werd het volgende:
" the Soviet Kotlin-class destroyer "operating in close proximity to the car-" r i e r task group appeared to be taking no "water over the bow and only occasional-" l y raised spray above the fo'c's'le deck "edge.
" U . S . sailors wore foul weather gear and "stayed o f the fo'c's'le; Soviet sailors pa-"raded on the fo'c's'le i n their shirt "sleeves.
Dit heeft met name i n de U.S. geleid tot nieuwe ontwerpmethodieken voor de op-timalisatie van fregatten in zeegang en men heeft rekenmethoden ontwikkeld om de efficiency van scheepstypen die gecom-pliceerde taken op zee moeten uitvoeren onderling te vergelijken.
I n het bijzonder moet i n dit opzicht het werk van K. Bales genoemd worden [2]. H i j berekende voor een 20-tal bestaande schepen een zogenaamde zeegangsindex: een gemiddelde van responsies van het schip i n een reeks van golfspectra en scheepssnelheden. Als karakteristieke responsies gebruikte h i j : het stampen, de verticale versnellingen en de relatieve
in-dompeling vóór en achter, het paaltjes pikken, het overnemen van groen water e.d.
Vervolgens heeft Bales de zeegangsindex gerelateerd aan vormparameters van het schip, zoals de verticale prismatische coefficient, de diepgang - lengte verhou-ding, het waterlijn oppervlak coefficient enz.
Dat verband is vervolgens gebruikt voor de optimalisatie van de rompvorm van een destroyer.
I n Figuur 1 zijn de resultaten van het opti-mum (huil 21) vergeleken met het beste schip (06) en het slechtste schip (13) van de beschouwde serie van 20 schepen waar-b i j , als voorwaar-beeld, de significante stamp-hoek per meter golfhoogte op basis van de gemiddelde golfperiode van de zeegang is gegeven.
De methode van Bales is door anderen toegepast en i n het bijzonder is het ver-band tussen de vorm en de zeegangsindex onderwerp van studie geweest. Niettemin
waren de resultaten van de eerste poging van Bales voor de relatief snelle fregatten zeer bemoedigend, zoals Figuur 1 laat zien.
In Figuur 2 is i n een polair diagram aan-gegeven welke mogelijkheden, qua snel-heid en koers, er zijn voor het opstijgen en landen van VTOL-vliegtuigen op twee verschillende typen vhegdek schepen in zeegolven met een significante hoogte van 5,5 m [3]. Het betreft hier een vergelijking van een normaal schip (monohuU) en een S W A T H (Small Waterplane Area Twin H u l l ) . De gearceerde delen in de polaire diagrammen noemt men "vensters" en deze geven aan b i j welke combinaties van scheepssnelheid en koers het opstijgen en landen mogelijk is. Blijkbaar is het gehele cirkeloppervlak representatief voor een vlakke zee en geen wind en dat komt over-een met 100% efficiency ten aanzien van het landen en opstijgen van het vliegtuig. Het relatieve oppervlak van het venster geeft de efficiency in zeegang ("operabili-ty index") van deze taak.
Z o ' n venster is gebaseerd op berekende scheepsbewegingen en een aantal criteria die de werkbaarheid begrenzen. Als b i j -voorbeeld de slingeramplitude een be-paalde grens overschrijdt dan is landen niet meer mogelijk en de betreffende combinatie van scheepssnelheid en koers valt dan niet binnen het venster. U i t Fi-guur 2 zou blijken dat de S W A T H voor dit doel over goede eigenschappen
be-" O
( T ) , J «
o HULL 06 • HULL 13
A HULL 21 OPTIMUM DATA BASE ENVELOPE
Figuur 1: De invloed van optimalisatie op het gedrag in zeegang.
Head sea
I—[Operating area
M O N O H U L L
Figuur 2: Vergelijking van de "vensters" van twee typen vliegdekschepen.
schikt. De operability index kan voor een aantal golfspectra berekend worden en vervolgens kan men op deze indices een gewogen middeling toepassen in verband met het golfklimaat waarin het schip ope-reert. Dat geeft uiteindelijk een kwantifi-cering van de effectiviteit van het schip voor de beschouwde taak ("ship perfor-mance index").
Een dergelijke performance index kan ge-bruikt worden voor de onderlinge verge-lijking van de kwaliteiten van verschillen-de scheepstypen.
Een in dit opzicht interessante studie is uitgevoerd door Hosoda c.s. [4], die het "systeem" schip verdeeld in subsyste-men. De subsystemen, zoals de romp, de voortstuwing, de navigatie, en de beman-ning hebben elk hun eigen effectiviteit, die in het algemeen afneemt als gevolg van de bewegingen van het schip in zee-gang.
rallelstructuur. Het geïntegreerde effect van de vermindering van de effectiviteit van subsystemen kan bij een serie struc-tuur aanzienlijk z i j n , ook al zijn de indivi-duele effecten soms gering. Als b i j vier subsystemen de effectiviteit 20% afneemt dan is de totale effectiviteit 40%.
Figuur 4 geeft als voorbeeld de invloed van zeegang op een aantal subsystemen. Hosoda gebruikte deze aanpak om zes verschillende ontwerpen voor patrouille-schepen (ook geschikt voor reddingsope-raties met behulp van een helicopter) on-derling te vergelijken, rekening houdend met statistische gegevens van het golfkh-maat, zie Figuur 5.
In deze Figuur zijn monohulls aangeduid met P M en S W A T H ' s met SSC. De in-vloed van het type en van de grootte van de ontwerpen is cluidelijk te zien.
Deze voorbeelden geven aan hoe de toe-genomen kennis van het zeegangsgedrag
ROMP S C H I P H O O F D M O T O R = 1 B E M A N N I N G B E M A N N I N G 2_ R A D A R B E M A N N I N G 2_ C O . ' L M U N I C A T I E B E M A N N I N G j _ H E L I C O P T E R B E M A N N I N G k = l k = 2 V O O R T S T U V J I N G
Figuur 3: Serie en parallel structuur van een patrouille schip.
In de opbouw van het systeem schip kan men een serie- en een parallelstructuur onderscheiden, zie Figuur 3, waarbij voor de effectiviteit van het totale systeem geldt: n 1 n / \ (1 + ej) (serie) (parallel) Hierin z i j n : Cj en C j de effectiviteit van de subsystemen. Het is duidelijk dat b i j het uitvallen van één subsysteem in een serie structuur de totale effectiviteit tot nul reduceert! Dat is niet het geval bij een
pa-van schepen in het ontwerpstadium ge-bruikt kan worden. Het operationele gebruik van deze kennis is eveneens op gang gekomen. Ten behoeve van het opti-maal routeren kunnen vaart afval karak-teristieken berekend worden, waarbij in de berekening opgenomen z i j n : de toege-nomen weerstand in golven, de daling van het voortstuwingsrendement en snel-heidsbeperkende criteria, die verband houden met het overnemen van groen water, vertikale versnellingen, paaltjes pikken enz.
Door de opkomst van kleine computers met een relatief grote rekencapaciteit, zal i n toenemende mate informatie over de zeegang en de daaruit volgende responsie
ICC
(a) R o l l .
0 5 e 10 15 Significant rol! amplitude ( D E G )
100 50 ï-v^ (b) Pitch
\ V ^ \
1 1 O J 5 ? . 5 10 Significant pitch amplitude ( D E G )(c) Acceleration
"O O . I 0.2 0 . 5 Significant amplitude of acceleration (g)
a) bemanning
Reletive wind envelope
"O 3 < 5 7 . S Significant amplitude of pitch & roll ( D E G )
b) helicopter In still water (21.2. kt) 3 4 5 6 7 Beaufort number (b) SSC -2 ln still water (18.0 kt) Heading 3 4 S ( 7 , S t Beaufort number
c) behouden snelheid in zeegang
Figuur 4: Afnae van de prestatie als ge-volg van scheepsbewegingen in zeegang.
BEAUFORT NUMBER P M - 1 PM-2 PM-3 PM-4 SSC- -1 SSC - 2 L (m) ino 9 0 73 63 3 1 5 65 B (m). 1 4 . 6 1 1 . 6 9 . 6 7 . 9 17 1 35 3 T (m) 4 . 9 3 . 8 3 . 3 2 . 7 3 2 5 5 A ( t o n ) 3 6 4 3 2 0 8 1 1 2 3 7 6 6 6 3 4 0 2 0 0 0 V ( k n ) 22 21 21 19 24 18
Figuur 5: Vergelijking van de effectiviteit van zes verschillende patrouille schepen.
van het schip aan boord voor direct ge-bruilc verwerkt kunnen worden.
In samenwerking met Lloyds Register of Shipping is gewerkt aan een zogenaamd " h u i l surveillance systeem", waarbij door middel van een gemeten scheepsrespon-sie, bijvoorbeeld de significante stamp-hoek, een schatting wordt gemaakt van de significante golfhoogte en de gemiddelde periode van de ter plaatse heersende zee-gang.
Die schatting gebeurt met een computer aan boord van het schip, waarin de bere-kende responsies als functie van de golf-hoogte en de periode zijn opgeslagen. Met een zoekprocedure bepaalt de computer de golfhoogte en periode die behoren b i j de gemeten responsie. Het schip fungeert op die manier als een soort golfhoogte meter.
Met de aldus bepaalde zeetoestand kan vervolgens de responsie van het schip voor een andere koers en snelheid bepaald worden en die informatie zou men kun-nen gebruiken om te beoordelen o f de nieuwe toestand voordelen biedt, bijvoor-beeld ten aanzien van de belasting van de romp [5].
Bij deze methode wordt verondersteld dat de gemiddelde golfrichting met voldoende nauwkeurigheid geschat kan worden, ter-w i j l ook de richtingen-spreiding van het golfspectrum en de algemene vorm van dat spectrum bekend z i j n .
Metingen aan boord van het container-schip "HoUandia" toonden aan dat de al-dus bepaalde golfhoogten en perioden in een aantal gevallen goed overeenkwamen met gelijktijdige golfboeimetingen. In gecompliceerde zeegang zou een meer uitvoerige bepaling van het golfspectrum de betrouwbaarheid van de voorspelde responsie ten goede komen.
Een voorstel om aan boord op
soortgelij-ke wijze het benodigde machinevermogen en daarmee het brandstofverbruik in zee-gang te analyseren is door J o u r n é e in dit tijdschrift gepubliceerd [6]. Men kan dit beschouwen als een mogelijkheid om het varen te optimaliseren, waarbij de responsie van het schip in zeegang een be-langrijke r o l speelt.
De nauwkeurigheid van dergelijke metho-den en hun praktische bruikbaarheid zal aanzienlijk toenemen als de informatie
over de zeegang beter is. Wellicht zal men in de toekomst momentaan kunnen be-schikken over de ter plaatse heersende golfcondities, bijvoorbeeld met behulp van satellieten. De bovengenoemde voor-beelden van operationele toepassing zul-len dan inderdaad met grote nauwkeurig-heid gerealiseerd kunnen worden.
Referenties 1 Kehoe, J. W . ,
"Destroyer Seakeeping: Ours and Theirs", Proceeding U . S . Naval Institute, V o l . 99, no. 11/849,
November 1973. 2Bales, N . K . ,
Optimizing the seakeeping performance of destroyer type hulls,
13th Symposium on Naval Hydrodynamics, T o k y o , 1980.
3 Cumstock, E. N . , S. L . Bales, D . M . Gentile, Seakeeping performance comparison o f air capable ships,
Naval Engineers Journal, 1982.
4 Hosoda, E . , Y . Kunitake, H , Koyama, H . Nakamura,
A method f o r evaluating o f seakeeping per-formance in ship design, based on mission effectiviness concept,
2e International Symposium on Practical Design in Shipbuilding, T o k y o , 1983. 5 T a y l o r , K. v..
On board guidance f o r heavy weather opera-tion.
Transactions Institute o f Marine Engineers, 1980.
6 J o u r n é e , J. M . J.,
Brandstofbesparing door bewaking en simu-latie van de prestaties van bet schip.
Nautisch Technisch T i j d s c h r i f t " D e Zee", 1982.
NAUTISCH TECHNISCH TIJDSCHRIFT
DE ZEE
In 1879 verscheen het eerste nummer van een vakblad dat bedoeld was om de zee-man tijdens en na zijn opleiding op de hoogte te houden van alle ontwikkelingen op zijn vakgebied.
Bijna 104 jaar lang heeft het blad zijn bestaan bewezen en verschijnt, sinds de sa-menvoeging met het Nautisch Technisch Tijdschrift maandelijks als 'NTT-de Zee'. Het blad, i n Nederland enig i n zijn soort, is uitgegroeid tot een informatiebron bij uitstek voor allen die hun werk in de scheepvaart vinden. Artikelen op het gebied van de scheepsbedrijfsvoering, veilige vaart ter zee, voortstuwings- en hulpwerktui-gen, navigatie, communicatie, wettelijke voorschriften en maritieme meteorologie houden betrokkenen voortdurend op de hoogte van de laatste ontwikkelingen. Het blad wil dit, met uw medewerking, blijven doen. Meld u daarom nu als abonnee. De abonnementsprijs bedraagt f 54,— per jaar (binnenland).
Ondergetekende, naam
adres
postcode woonplaats geeft zich met ingang van heden op als abonnee
datum handtekening Opsturen aan: M A R I N , Postbus 1555, 3000 B N Rotterdam. 152
