Hoe gebruikt u CFD om een Energy Saving Device (ESD) te optimaliseren?
Computational Fluid Dynamics (CFD) wordt gebruikt om de geometrie van een Energy Saving Device (ESD) af te stemmen op de stroming rond de romp, schroef en het roer van een specifiek schip. Met numerieke stromingsberekeningen kan worden onderzocht hoe veranderingen aan een Pre-Swirl Stator (PSS), Pre-Duct, Propeller Boss Cap Fin (PBCF) of Rudder Bulb de schroefwerking en hydrodynamische krachten beïnvloeden. De bestaande voortstuwing vormt daarbij het uitgangspunt. Vanuit de berekende aanstroming worden kansrijke geometrieën ontwikkeld, waarvan de vorm en positie stapsgewijs worden aangepast. Niet de grootste verandering van het stromingsbeeld is bepalend, maar de vermindering van het benodigde schachtvermogen bij dezelfde scheepsprestatie. CFD maakt het mogelijk deze verbetering te onderzoeken voordat een voorziening wordt gebouwd. De betrouwbaarheid van de ontwerpkeuze hangt daarbij af van de scheepsgegevens, de gekozen schroefmodellering en de nauwkeurigheid waarmee de prestatieverschillen kunnen worden vastgesteld.
Welke gegevens en uitgangspunten zijn nodig voor de CFD-optimalisatie?
Een CFD-optimalisatie begint met de geometrie van het schip en de bestaande of geplande voortstuwing. De onderwatervorm van de romp, schroefgeometrie, naafconstructie en roeropstelling bepalen hoe het water rond het achterschip stroomt. Aanwezige appendages kunnen eveneens de aanstroming of de werking van de voorgestelde ESD beïnvloeden. Bij bestaande zeeschepen worden deze gegevens verzameld uit tekeningen, driedimensionale ontwerpmodellen en technische documentatie. Wanneer de werkelijke uitvoering daarvan afwijkt, kunnen aanvullende metingen of een 3D-scan noodzakelijk zijn.
De nauwkeurigheid van de geometrie moet aansluiten op de verschijnselen die worden onderzocht. Voor een Pre-Duct kan de ligging ten opzichte van het schroefvlak belangrijk zijn, terwijl bij een PBCF juist details van de naafkap en de bladwortels een grote rol spelen. Een kleine afwijking in de positie of vorm van een onderdeel kan de plaatselijke stroming beïnvloeden. Wanneer zulke verschillen niet in het model zijn verwerkt, kan de optimalisatie uitgaan van een geometrie die niet volledig overeenkomt met het schip.
Ook de bedrijfscondities worden vooraf vastgelegd. Vaarsnelheid, diepgang, trim en schroefbelasting beïnvloeden de stroming rond de achtersteven. Bij een schroef met vaste spoed zijn de geometrie en relevante toerentallen belangrijk. Voor een Controllable Pitch Propeller (CPP) moeten ook de gebruikte bladstanden en bijbehorende bedrijfsinstellingen bekend zijn. De keuze van het ontwerpbedrijfspunt moet aansluiten op de toekomstige exploitatie, omdat een ESD die bij een bepaalde snelheid gunstig presteert niet noodzakelijk dezelfde verbetering behoudt wanneer de schroefbelasting verandert.
Daarnaast wordt bepaald welke fysische omstandigheden in de berekening moeten worden opgenomen. De invloed van het vrije wateroppervlak kan bijvoorbeeld belangrijk zijn voor de scheepsweerstand en de stroming rond het achterschip. Bij een plaatselijke stromingsanalyse kan een vereenvoudigde voorstelling verantwoord zijn, zolang daarmee geen verschijnselen worden weggelaten die voor de ontwerpkeuze bepalend zijn. Ook de keuze tussen berekeningen op model- of ware grootte moet vooraf duidelijk zijn.
Voordat de eerste ESD wordt toegevoegd, wordt de oorspronkelijke voortstuwingsconfiguratie onderzocht. Daarbij kan de stroming achter de romp zonder werkende schroef worden berekend, gevolgd door een berekening waarin de schroef daadwerkelijk stuwkracht levert. Dat onderscheid is belangrijk: het nominale wakeveld achter de romp is niet identiek aan de stroming die ontstaat wanneer de werkende schroef het water naar zich toe versnelt en de drukverdeling rond het achterschip beïnvloedt.
De referentieberekening moet voldoende nauwkeurig beschrijven hoe romp, schroef en roer onder de gekozen omstandigheden samenwerken. Het benodigde toerental, schroefkoppel en de hydrodynamische krachten vormen daarbij belangrijke vergelijkingsgegevens. Waar betrouwbare meetgegevens beschikbaar zijn, worden deze gebruikt om te onderzoeken hoe goed de berekening de oorspronkelijke scheepsprestatie en relevante stromingsverschijnselen beschrijft.
De referentie is bepalend voor de geometrische optimalisatie zelf. De stand van een statorvin wordt bijvoorbeeld afgestemd op de plaatselijke aanstroming, terwijl de positie en profielvorm van een Pre-Duct samenhangen met de stroming rond de achtersteven. Wanneer het model daar een verkeerde snelheids- of drukverdeling voorspelt, kan ook de gekozen ESD-geometrie ongunstig uitvallen. Een betrouwbare optimalisatie begint daarom met een geometrisch en hydrodynamisch voldoende nauwkeurige uitgangssituatie.
Hoe maakt CFD het hydrodynamische verbeterpotentieel zichtbaar?
Voor scheepshydrodynamische CFD-berekeningen worden vaak Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)-methoden toegepast. Daarmee worden de gemiddelde stroming en de invloed van turbulentie volgens een gekozen model beschreven. De berekeningen leveren onder meer snelheidsvelden, stromingsrichtingen en drukverdelingen op. Uit de druk- en schuifspanningen kunnen bovendien de hydrodynamische krachten op de gemodelleerde onderdelen worden bepaald.
Rond de achtersteven laat CFD zien hoe het water het schroefvlak bereikt en hoe de werkende schroef de stroming verandert. De vorm van het achterschip kan een ongelijkmatig wakeveld veroorzaken, waardoor de schroefbladen tijdens iedere omwenteling verschillende instroomcondities ondervinden. Achter de schroef ontstaan een versnelde, doorgaans roterende schroefstraal en plaatselijke wervelstructuren rond de bladwortels en naaf. De stroming bereikt vervolgens het roer, waarvan de hydrodynamische krachten mede door de schroefwerking worden bepaald.
Deze resultaten helpen vaststellen welke stromingsverschijnselen voor verbetering in aanmerking komen. Een ongunstige verdeling van de aanstroming kan aanleiding geven om een aangepaste stromingsgeleiding te onderzoeken. Wanneer gecontroleerde voorrotatie de schroefwerking kan verbeteren, biedt een Pre-Swirl Stator een andere ontwerpbenadering. Achter de schroef kunnen de naafwervel en de stroming rond het roer mogelijkheden bieden voor een PBCF of Rudder Bulb.
Een zichtbaar stromingsverschijnsel is echter niet automatisch een verlies dat met een ESD kan worden verminderd. Een kleinere naafwervel betekent bijvoorbeeld niet vanzelf dat de volledige voortstuwing efficiënter werkt. Ook een gelijkmatiger schroefaanstroming hoeft geen verbetering op te leveren wanneer de gewijzigde stroming minder goed aansluit op de schroefgeometrie. De krachten op de voorziening zelf en de reactie van de overige onderdelen zijn eveneens bepalend.
Daarom wordt de stromingsanalyse verbonden met de hydrodynamische krachten en de benodigde voortstuwing. Een Pre-Duct kan de schroefaanstroming verbeteren, maar tegelijkertijd eigen weerstand veroorzaken. Een Pre-Swirl Stator kan de schroef gunstiger laten werken, terwijl de statorvinnen aanvullende verliezen introduceren. CFD helpt deze effecten te onderscheiden en maakt duidelijk welke geometrische veranderingen nader onderzoek verdienen.
De betrouwbaarheid van die diagnose hangt af van het numerieke model. Rond profielranden, de schroefnaaf en gebieden met sterke stromingsgradiënten moet het rekenrooster voldoende fijn zijn. Ook de behandeling van de grenslaag, turbulentie en eventuele stromingsafscheiding beïnvloedt de berekende krachten. Een model dat geschikt is om de algemene stroming rond een achterschip te beoordelen, hoeft daardoor niet nauwkeurig genoeg te zijn voor de lokale stroming rond een kleine naafvoorziening.
Ook de manier waarop de schroef in het model is opgenomen, beïnvloedt welke verschijnselen zichtbaar worden. Een vereenvoudigde voorstelling kan de gemiddelde versnelling van het water goed beschrijven, maar bepaalde plaatselijke wervelstructuren of wisselende bladbelastingen onvoldoende weergeven. Het stromingsbeeld moet daarom altijd worden geïnterpreteerd binnen de mogelijkheden van de gekozen schroef- en turbulentiemodellering.
Hoe wordt de geometrie van een ESD gericht geoptimaliseerd?
Bij een CFD-optimalisatie wordt eerst vastgesteld welke geometrische eigenschappen kunnen worden aangepast en welke verbetering daarmee wordt nagestreefd. Vervolgens worden ontwerpvarianten berekend om te bepalen hoe veranderingen van vorm en positie doorwerken in de voortstuwing. Het doel is een lagere vermogensvraag binnen de grenzen die de bestaande scheepsconfiguratie en de technische betrouwbaarheid stellen.
De ontwerpvariabelen verschillen per ESD-type. Bij een Pre-Swirl Stator kunnen onder meer het aantal vinnen, de vinpositie, profielvorm en plaatselijke instelhoek worden aangepast. De vinnen moeten een geschikte voorrotatie opwekken zonder onnodig grote eigen verliezen te veroorzaken. CFD maakt zichtbaar hoe een andere vinstand de aanstroming van de schroefbladen verandert en welke krachten op de stator ontstaan.
Een grotere voorrotatie is daarbij niet automatisch beter. Wanneer de stromingsrichting plaatselijk onvoldoende aansluit op de schroef, kunnen de bladbelasting en de hydrodynamische verliezen juist toenemen. De optimale statorgeometrie ontstaat daarom uit een afweging tussen de veranderde schroefwerking en de krachten op de statorvinnen zelf.
Bij een Pre-Duct worden bijvoorbeeld de diameter, positie, profielvorm en oriëntatie onderzocht. Een andere geometrie verandert de stroming naar de schroef en de drukverdeling op het ductprofiel. Twee varianten kunnen daardoor een vergelijkbare verbetering van de schroefaanstroming opleveren, terwijl de hydrodynamische krachten op de varianten verschillen. De uitvoering met de gunstigste plaatselijke instroom hoeft dan niet de laagste totale vermogensvraag te hebben.
Voor een PBCF liggen de ontwerpvariabelen vooral in de vorm, stand en plaatsing van de vinnen op de naafkap. Deze worden afgestemd op de stroming achter de schroefbladen en rond de naaf. Bij een Rudder Bulb zijn onder meer de lengte, doorsnede, contour en aansluiting op het roer relevant. De geometrie bepaalt daar hoe de stroming tussen schroefnaaf en roer wordt beïnvloed en welke krachten op de bulb en het roer ontstaan.
De optimalisatie verloopt doorgaans in opeenvolgende ontwerpstappen. Een eerste geometrie wordt berekend en beoordeeld, waarna gerichte aanpassingen worden uitgevoerd. Wanneer bijvoorbeeld blijkt dat een statorvin in een bepaald gedeelte een ongunstige belasting veroorzaakt, kan een wijziging van de plaatselijke instelhoek meer opleveren dan het vergroten of verkleinen van de volledige vin. De volgende berekening laat zien of die aanpassing daadwerkelijk een lagere vermogensvraag mogelijk maakt.
Bij grotere ontwerpstudies kunnen geautomatiseerde parameteronderzoeken en numerieke optimalisatiemethoden worden toegepast. Daarmee worden meerdere combinaties van geometrische variabelen systematisch onderzocht. Vereenvoudigde modellen kunnen de eerste verkenning versnellen, waarna de meest kansrijke configuraties met nauwkeurigere methoden worden beoordeeld. Een benaderingsmodel dat op eerdere CFD-resultaten is gebaseerd, kan eveneens helpen om nieuwe ontwerpen sneller te vergelijken. De beste kandidaten moeten vervolgens opnieuw met een geschikte gedetailleerde berekening worden onderzocht.
De optimalisatiedoelstelling moet daarbij helder blijven. Een numerieke optimalisatie kan bijvoorbeeld een geometrie vinden die de berekende vermogensvraag bij een bepaald bedrijfspunt minimaliseert, maar die uitvoering kan constructief ongeschikt zijn of bij andere bedrijfscondities ongunstig functioneren. Daarom worden inbouwruimte, hydrodynamische belastingen en andere technische beperkingen al tijdens het ontwerp betrokken.
Ook de gevoeligheid voor geometrische wijzigingen verdient aandacht. Wanneer een kleine verandering van vinstand of ductpositie een groot verschil in de voorspelde prestaties veroorzaakt, moet worden onderzocht of dat verschil werkelijk hydrodynamisch wordt verklaard of mede voortkomt uit de numerieke methode. Het gevonden optimum is uitsluitend geldig binnen de onderzochte geometrieën, bedrijfscondities en nauwkeurigheid van het model.
Wanneer moet de draaiende schroef gedetailleerd worden gemodelleerd?
De manier waarop de schroef in CFD wordt beschreven, heeft grote invloed op de stroming die bij een ESD wordt berekend. De werkende schroef verandert niet alleen de snelheid van het water, maar ook de drukverdeling rond het achterschip en de eigenschappen van de schroefstraal. De benodigde nauwkeurigheid hangt daarom af van welke interactie voor het ontwerp bepalend is.
Voor een eerste verkenning kan een vereenvoudigde schroefrepresentatie voldoende zijn. Bij een actuator-diskmodel wordt de invloed van de schroef bijvoorbeeld weergegeven als een verdeling van krachten in het gebied van het schroefvlak. Afhankelijk van de uitvoering van het model kunnen zowel de axiale belasting als de invloed op de rotatie van de stroming worden meegenomen. De afzonderlijke schroefbladen hoeven daarvoor niet volledig in het rekenrooster te worden opgenomen.
Deze benadering kan de rekentijd beperken en is bruikbaar voor bepaalde onderzoeken naar de algemene aanstroming en schroef-rompinteractie. De nauwkeurigheid hangt wel af van de gebruikte krachtverdeling en de manier waarop het schroefmodel met de stromingsberekening samenwerkt. Een actuator-diskmodel dat geen tangentiële krachtverdeling beschrijft, is bijvoorbeeld minder geschikt voor een beoordeling waarbij de rotatie van de schroefstraal centraal staat.
Een andere mogelijkheid is om een afzonderlijk schroefmodel aan de CFD-berekening te koppelen. Daarbij kan een hydrodynamische berekeningsmethode voor de schroef de plaatselijke aanstroming verwerken en de resulterende krachten doorgeven aan het stromingsmodel. Zo kan een gedetailleerdere voorstelling van de schroefwerking ontstaan zonder dat alle schroefbladen rechtstreeks met een volledig viskeus CFD-model hoeven te worden berekend. De geschiktheid van deze aanpak hangt af van de gebruikte koppeling en het onderzochte stromingsverschijnsel.
Voor een PBCF is vooral de plaatselijke stroming achter de bladwortels van belang. De naafvinnen draaien met de schroef mee en beïnvloeden wervelstructuren die direct met de bladgeometrie samenhangen. Een schroefmodel dat uitsluitend een gemiddelde krachtverdeling oplevert, kan voor deze interactie onvoldoende detail bevatten. Ook bij bepaalde stator- en roerontwerpen kan de ruimtelijke verdeling van de schroefbelasting bepalend zijn voor het resultaat.
Bij een directe schroefberekening wordt de werkelijke bladgeometrie opgenomen in het CFD-model. Een stationaire benadering met een roterend referentiestelsel kan voor bepaalde ontwerpvragen bruikbaar zijn. Wanneer de veranderende positie van de bladen ten opzichte van het wakeveld of andere onderdelen belangrijk is, kan een tijdsafhankelijke berekening met een daadwerkelijk roterend schroefrooster noodzakelijk worden. Daarmee kunnen ook wisselende drukverdelingen en belastingen worden onderzocht.
Deze extra detaillering vraagt meer rekencapaciteit en stelt hogere eisen aan het rekenrooster, de koppeling tussen bewegende en stilstaande rekengebieden en de numerieke instellingen. Een directe berekening is bovendien niet automatisch betrouwbaarder wanneer de geometrie, roosterkwaliteit of modellering onvoldoende nauwkeurig is. De modelkeuze moet daarom worden afgestemd op de vereiste voorspelnauwkeurigheid en het relevante hydrodynamische mechanisme.
Voor een efficiënte optimalisatie kunnen verschillende modelniveaus naast elkaar worden gebruikt. Een vereenvoudigde voorstelling helpt kansrijke geometrieën te vinden, terwijl een gedetailleerdere berekening de belangrijkste lokale interacties onderzoekt. Voordat kleine prestatieverschillen doorslaggevend worden, moet wel duidelijk zijn of de gekozen methode nauwkeurig genoeg is om die verschillen betrouwbaar vast te stellen.
Hoe bepaalt een zelfvoortstuwingsberekening de vermogensbesparing?
De hydrodynamische prestatie van een ESD wordt uiteindelijk beoordeeld aan de hand van het schachtvermogen dat nodig is om het schip onder dezelfde omstandigheden voort te bewegen. Daarvoor moeten de krachten op de romp, schroef, het roer en de toegevoegde voorziening gezamenlijk worden meegenomen. Een ESD kan de schroef gunstiger laten functioneren, maar tegelijkertijd zelf een hydrodynamische kracht veroorzaken die het netto voordeel beïnvloedt.
Bij een zelfvoortstuwingsberekening wordt het bedrijfspunt gezocht waarbij de voortstuwende en tegenwerkende krachten in evenwicht zijn. Dit kan bijvoorbeeld door het schroeftoerental in opeenvolgende berekeningen aan te passen totdat het vereiste krachtenevenwicht bij de gekozen scheepssnelheid voldoende nauwkeurig is bereikt. Bij een berekening op modelschaal kunnen daarbij aanvullende krachten of correcties nodig zijn om het verschil met de weerstand op ware grootte te behandelen.
Wanneer een ESD wordt toegevoegd, kan de schroef bij dezelfde snelheid een ander toerental nodig hebben. Ook het benodigde koppel kan veranderen. Het schachtvermogen volgt uit de combinatie van beide grootheden. Een hogere schroefstuwkracht bij hetzelfde toerental bewijst daarom nog geen vermogensbesparing. Het koppel kan eveneens toenemen en de gewijzigde stroming kan andere krachten op romp, ESD en roer veroorzaken.
Een vergelijking tussen twee Pre-Duct-ontwerpen maakt dit onderscheid duidelijk. De eerste duct kan de snelheid en richting van de schroefaanstroming sterk veranderen, maar daarbij aanzienlijke eigen hydrodynamische verliezen veroorzaken. Een tweede ontwerp kan de aanstroming minder sterk beïnvloeden en toch gunstiger presteren doordat de verliezen op het ductprofiel kleiner blijven. De zelfvoortstuwingsberekening maakt zichtbaar welke configuratie bij dezelfde scheepsprestatie uiteindelijk minder schachtvermogen nodig heeft.
Voor deze vergelijking moeten de referentie en ontwerpvarianten onder gelijkwaardige omstandigheden worden berekend. De snelheid door het water, diepgang, trim en overige relevante uitgangspunten blijven gelijk. Ook de gekozen behandeling van het vrije wateroppervlak, de scheepsbewegingen en de schaalcorrecties moet voldoende consistent zijn. Het toerental en koppel mogen verschillen, omdat juist de veranderde schroefwerking wordt onderzocht.
Bij een CPP kan daarnaast een andere combinatie van bladstand en toerental gunstig zijn. De gebruikte regelstrategie en toegestane optimalisatie moeten dan voor de onderzochte configuraties op een consistente manier worden behandeld. Anders kan een berekend prestatieverschil gedeeltelijk voortkomen uit een gewijzigde schroefregeling in plaats van uitsluitend uit de toegevoegde ESD.
Ook de numerieke nauwkeurigheid van de vergelijking verdient aandacht. Wanneer een ESD een kleine vermogensvermindering oplevert, moeten de berekeningen met en zonder voorziening voldoende nauwkeurig en onderling vergelijkbaar zijn. Een goede overeenkomst tussen de berekende en gemeten uitgangsprestatie is waardevol, maar bewijst niet automatisch dat het berekende verschil na toevoeging van de ESD even betrouwbaar is.
De berekende vermogensvermindering vormt de voorspelde hydrodynamische prestatie van het ontwerp onder de betreffende omstandigheden. Dat resultaat is niet automatisch gelijk aan de uiteindelijke brandstofbesparing. Daarvoor zijn ook het motorbedrijf en eventuele gekoppelde installaties van belang. Binnen de CFD-optimalisatie blijft de verandering van de schachtvermogensvraag de belangrijkste maatstaf om te beoordelen of de geometrische aanpassing daadwerkelijk voordeel kan opleveren.
Hoe wordt een ESD voor verschillende bedrijfscondities geoptimaliseerd?
Een ESD wordt doorgaans ontwikkeld met een vaste geometrie, terwijl de aanstroming en schroefbelasting tijdens de exploitatie veranderen. Een ontwerp dat bij de nominale kruissnelheid de grootste vermogensbesparing oplevert, hoeft daardoor niet automatisch de beste prestaties over het volledige vaarprofiel te leveren. Daarom worden kansrijke geometrieën bij de belangrijkste bedrijfscondities onderzocht. Voor een kustvaarttanker die afwisselend beladen en in ballast vaart, kunnen bijvoorbeeld verschillende diepgangen en schroefbelastingen relevant zijn. Bij een zeeschip dat structureel binnen een beperkt snelheidsbereik opereert, kan de nadruk juist sterker op een bepaald werkgebied liggen. De gekozen omstandigheden moeten aansluiten op de exploitatie waarvoor de voorziening wordt ontworpen.
Deze beoordeling kan de geometrische optimalisatie beïnvloeden. Een Pre-Swirl Stator met de grootste verbetering bij een afzonderlijk bedrijfspunt hoeft niet dezelfde voorkeur te behouden wanneer een iets andere vinstand onder meerdere veelgebruikte omstandigheden gunstiger presteert. Ook een Pre-Duct kan gevoelig zijn voor veranderingen van de schroefbelasting, doordat de drukverdeling op het ductprofiel en de wisselwerking met de schroef verschuiven.
Het ontwerp kan daarom worden geoptimaliseerd voor een verzameling representatieve bedrijfspunten. Daarbij telt hoeveel schachtvermogen een geometrie bij de afzonderlijke omstandigheden bespaart en hoeveel bedrijfsuren het schip daar naar verwachting maakt. Een ontwerp met een groter besparingspercentage bij een weinig voorkomende bedrijfsstand hoeft daardoor niet de grootste energiebesparing over de exploitatie te leveren.
Ook mogelijke nadelige effecten worden onderzocht. Een gewijzigde schroefaanstroming kan de cavitatiegevoeligheid en wisselende bladbelastingen beïnvloeden. Bij een Rudder Bulb verdient de werking van het roer bij relevante uitslagen aandacht. Een gebruikelijke RANS-berekening van de gemiddelde stroming kan aanwijzingen geven, maar beschrijft zonder aanvullende modellering niet alle verschijnselen die voor cavitatie, trillingen en manoeuvreerbaarheid belangrijk zijn.
De geometrische optimalisatie moet daarom onderscheid maken tussen de bedrijfspunten waar energiebesparing wordt nagestreefd en de omstandigheden waaronder de ESD technisch verantwoord moet blijven functioneren. Niet iedere bedrijfsstand hoeft even zwaar mee te wegen in de energiebesparingsberekening, maar de voorziening moet wel geschikt blijven voor de relevante belastingen en noodzakelijke manoeuvres.
Hoe worden de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van CFD-resultaten beoordeeld?
Een CFD-optimalisatie levert berekende resultaten op, geen rechtstreeks gemeten besparing van het schip. Daarom moet worden vastgesteld hoe betrouwbaar de numerieke voorspelling is en welke onzekerheden invloed hebben op de keuze tussen verschillende geometrieën.
Bij numerieke verificatie wordt onderzocht of de berekende oplossing voldoende nauwkeurig is voor het gekozen wiskundige model. Een roosterstudie kan bijvoorbeeld laten zien hoe de berekende krachten en het schroefkoppel veranderen wanneer de rekencellen worden verfijnd. Ook de convergentie van de berekening is belangrijk. Niet alleen de numerieke restfouten worden beoordeeld, maar ook de stabiliteit van de grootheden waarop de ontwerpkeuze berust.
Bij tijdsafhankelijke berekeningen spelen daarnaast de tijdstap en de duur van de simulatie een rol. Wanneer de belasting van de schroefbladen gedurende iedere omwenteling verandert, moeten de relevante verschijnselen voldoende nauwkeurig in de tijd worden beschreven. Een stabiel gemiddeld resultaat biedt niet vanzelf voldoende zekerheid over de grootte van de wisselende belastingen.
Validatie heeft een andere functie. Daarbij wordt onderzocht hoe goed het numerieke model overeenkomt met fysieke metingen. Voor een ESD-project kunnen bijvoorbeeld weerstand- en voortstuwingsproeven, drukmetingen en stromingsmetingen bruikbaar zijn. De vergelijking moet betrekking hebben op voldoende overeenkomstige geometrieën en bedrijfscondities, terwijl ook de meetonzekerheid wordt meegenomen.
Wanneer een CFD-model de oorspronkelijke scheepsprestatie goed voorspelt, ondersteunt dat de betrouwbaarheid van de referentie. Het bewijst echter niet automatisch dat dezelfde nauwkeurigheid behouden blijft nadat een ESD is toegevoegd. De voorziening kan plaatselijke stromingsverschijnselen introduceren die door het oorspronkelijke model onvoldoende worden beschreven. Daarom verdienen juist de door de ESD veroorzaakte veranderingen van stroming, krachten en vermogen aanvullende controle.
Een belangrijk aandachtspunt is dat verschillende numerieke methoden voor dezelfde ESD uiteenlopende prestatievoorspellingen kunnen opleveren. Vooral de berekening van het wakeveld en de manier waarop de werkende schroef wordt gemodelleerd, kunnen daarbij invloed hebben. Een gedetailleerder model biedt mogelijkheden om meer hydrodynamische verschijnselen te beschrijven, maar neemt de noodzaak van numerieke verificatie en experimentele validatie niet weg.
Schaalinvloeden vormen een afzonderlijk aandachtspunt. De grenslaag langs de romp, de verdeling van het wakeveld en de stroming rond een ESD kunnen verschillen tussen model- en ware-groottecondities. Bij voorzieningen die voorrotatie opwekken, verdienen de axiale en tangentiële veranderingen van de aanstroming afzonderlijke aandacht. Een gunstige verbetering op modelschaal kan daardoor niet zonder verantwoorde beoordeling rechtstreeks als prestatie op ware grootte worden overgenomen.
Voor de uiteindelijke ontwerpkeuze is vooral belangrijk of het berekende prestatieverschil voldoende betrouwbaar is. Twee ontwerpen kunnen verschillende vermogensbesparingen laten zien, terwijl het verschil niet betrouwbaar kan worden onderscheiden van de onzekerheid waarmee die prestaties worden voorspeld. Dan is nog niet overtuigend aangetoond welke geometrie hydrodynamisch beter is. Dat betekent niet dat beide ontwerpen exact dezelfde prestaties hebben. Het betekent dat de beschikbare informatie onvoldoende zekerheid biedt om de berekende voorsprong doorslaggevend te maken. Aanvullende berekeningen of proeven kunnen dan zinvol zijn wanneer daarmee een beslissende onzekerheid kan worden verminderd. Blijven de prestaties vergelijkbaar, dan kunnen constructieve eenvoud en onderhoudbaarheid meer gewicht krijgen.
De onzekerheidsbeoordeling kan daarmee bepalen welke geometrie verder wordt ontwikkeld, welke aanvullende berekening nodig is en wanneer het ontwerp voldoende onderbouwd is om naar de volgende engineeringfase te gaan.
Wat levert CFD uiteindelijk op voor het ESD-ontwerp?
Een zorgvuldig uitgevoerde CFD-optimalisatie levert een technisch onderbouwde ESD-geometrie op, met inzicht in de stromingsverschijnselen die de voorspelde werking verklaren. De ontwerpstudie maakt duidelijk welke vorm en positie de voorkeur verdienen, onder welke omstandigheden vermogensbesparing wordt verwacht en welke onzekerheden bij die voorspelling horen.
Ook worden de hydrodynamische belastingen zichtbaar die voor de verdere constructieve uitwerking van belang zijn. Bij een Pre-Swirl Stator of Pre-Duct gaat het bijvoorbeeld om de gekozen profielgeometrie, positie en krachten op de ondersteuningsconstructie. Voor een PBCF zijn de afstemming op de schroefnaaf en de plaatsing van de vinnen belangrijk. Bij een Rudder Bulb moeten de contour en aansluiting op het roer passen bij de beschikbare ruimte en de plaatselijke stroming.
De ontwerpuitkomst moet bovendien voldoende duidelijk vastleggen welke scheepsgeometrie, bedrijfscondities en schroefmodellering zijn gebruikt. Ook de referentie zonder ESD en de berekende vermogensverschillen moeten herkenbaar blijven. Zonder deze gegevens kan een andere ontwerpvariant niet betrouwbaar worden vergeleken en is moeilijk vast te stellen waarop de voorspelde verbetering berust.
De resultaten vormen het uitgangspunt voor de verdere engineering. Hydrodynamische berekeningen leveren niet automatisch alle gegevens die nodig zijn om een constructie definitief vrij te geven. Afhankelijk van de uitvoering kunnen aanvullende sterkteberekeningen, onderzoek naar wisselende belastingen en controles van de bevestigingen noodzakelijk zijn.
Voor veelbelovende ontwerpen kunnen modelproeven de berekende prestaties verder onderbouwen. Daarbij kan ook worden onderzocht hoe schaalinvloeden doorwerken in de verwachte vermogensbesparing. Na installatie kunnen geschikte proefvaart- of prestatiemetingen helpen om vast te stellen in hoeverre de voorspelde verbetering tijdens de exploitatie wordt gerealiseerd. De afzonderlijke bijdrage van de ESD moet daarbij herkenbaar blijven wanneer tegelijkertijd andere aanpassingen aan romp of voortstuwing zijn uitgevoerd.
CFD maakt het zo mogelijk om een Energy Saving Device gericht te ontwikkelen voor de bestaande of geplande voortstuwingsconfiguratie. Vanuit een betrouwbare referentie worden relevante stromingsverschijnselen onderzocht, geometrische ontwerpvarianten aangepast en de prestaties onder gelijkwaardige omstandigheden vergeleken. De beste uitvoering is niet noodzakelijk die met de grootste plaatselijke stromingsverandering, maar de geometrie die de benodigde vermogensvraag van het schip voldoende betrouwbaar verlaagt en technisch verantwoord kan worden gebouwd en toegepast.
Dit artikel binnen de reeks
De CFD-optimalisatie bouwt voort op de afweging of onderhoud, schroefoptimalisatie of een aanvullende ESD het meeste verbeterpotentieel biedt. Om de berekende vermogensverbetering later betrouwbaar te kunnen toetsen, zijn geschikte bedrijfscondities voor de beoordeling van ESD-prestaties van belang. De samenhang tussen ontwerpberekeningen, prestatievergelijking en metingen staat centraal bij hydrodynamisch ontwerp en prestatievalidatie van ESDs.