Teresa Abramowicz-Gerigk, Zbigniew Burciu, Jacek Jachowski Akademia Morska w Gdyni BADANIA WPŁYWU KSZTAŁTU KADŁUBA NA WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE PASAŻERSKIEGO STATKU ŚRÓDLĄDOWEGO. ZNOS WIATROWY W artykule przedstawiono badania wpływu kształtu kadłuba pasażerskiej jednostki śródlądowej na znos wiatrowy. Na podstawie wyników obliczeń numerycznych, dla przyjętych kształtów części podwodnej, porównano opór boczny jednostki jedno i dwukadłubowej o zadanych wymiarach głównych oraz znos wiatrowy pod działaniem poprzecznego wiatru. Słowa kluczowe: znos wiatrowy, statek śródlądowy, obliczenia numeryczne opływu. WSTĘP Podstawowe ograniczenia przy doborze parametrów eksploatacyjno-technicznych jednostek śródlądowych wynikają z warunków nawigacyjnych. Maksymalne wartości zanurzenia, długości, szerokości i wysokości kadłuba statku są ograniczone odpowiednio przez minimalną głębokość akwenu, szerokość i długość śluz oraz minimalny prześwit pod mostami [4]. Prędkości projektowe wypornościowych statków jeziorowych wynoszą zwykle 14 20 km/h (4 5,5 m/s). W rzeczywistości prędkości eksploatacyjne są limitowane prędkością osiągalną na płytkiej wodzie, dopuszczalnym osiadaniem i dopuszczalną wysokością fali generowanej przez statek w kanałach [1, 2, 3]. Nowoczesne podejście do projektowania i eksploatacji jednostek śródlądowych powinno uwzględniać kompleksowe podejście do zagadnień bezpieczeństwa i ekologii w eksploatacji statków i dróg wodnych [1, 2, 3, 5]. Wpływ ruchu jednostek śródlądowych na środowisko i konieczność uwzględnienia dynamiki drogi wodnej na parametry eksploatacyjno-techniczne jednostki są szczególnie istotne w transporcie rzecznym, na obszarach chronionych ekologicznie, należących do sieci Natura 2000 [3]. W przypadku jezior występowanie obszarów chronionych i płytkowodnych może poważnie ograniczyć powierzchnię akwenów dostępnych do żeglugi. Wynika stąd konieczność stosowania napędów ekologicznych, innowacyjnych rozwiązań konstrukcyjnych oraz lekkich materiałów, takich jak stopy aluminium, kompozyty i panele przekładkowe, pozwalające zmniejszyć zanurzenie statku.
6 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 97, grudzień 2016 Wymagania techniczne dla statków żeglugi śródlądowej zawarte są w przepisach dotyczących bezpieczeństwa żeglugi śródlądowej oraz przepisach budowy i klasyfikacji jednostek śródlądowych z uwzględnieniem wymagań zawartych w Dyrektywie technicznej Unii Europejskiej 2006/87/WE. Wprowadzone ostatnio zmiany w postaci przepisów przejściowych, które obejmują wszystkie statki pasażerskie, podlegające inspekcji technicznej po 1 stycznia 2015 r., dotyczą konieczności wyposażenia tych jednostek w niezależny awaryjny układ napędowy, umieszczony w oddzielnej maszynowni. Wprowadza to dodatkowe ograniczenia parametrów projektowych już na etapie projektu wstępnego i wymaga poważnych zmian na jednostkach już zbudowanych. W Polsce największy akwen jezior połączonych kanałami i rzekami znajduje się w Krainie Wielkich Jezior Mazurskich. W związku z występującymi tam ograniczeniami nawigacyjnymi statki pasażerskie eksploatowane na jeziorach mazurskich mają duży stosunek długości do zanurzenia. Duża boczna powierzchnia nawiewu, wynikająca z funkcji statku w stosunku do powierzchni części podwodnej kadłuba, w połączeniu z małą mocą silnika, powoduje trudności przy manewrowaniu na wietrze. Znos wiatrowy jest głównym problemem przy manewrowaniu. Szczególnie niebezpieczny jest podczas żeglugi w kanałach, w obecności innych jednostek i przy podchodzeniu do nabrzeża [2]. Problem dużego znosu wiatrowego jest na tyle istotny, że nowe jednostki śródlądowe buduje się jako jednostki wielokadłubowe, ze znacznie wydłużonymi poza nadbudówkę kadłubami i wyposaża w skegostery w celu zwiększenia stateczności kursowej. Przykładem takiego statku jest katamaran Swoboda Żeglugi Augustowskiej [11]. W Katedrze Eksploatacji Statku na Wydziale Nawigacyjnym Akademii Morskiej w Gdyni, w ramach współpracy z przedsiębiorstwem Żegluga Mazurska S.A., w zakresie oceny właściwości hydromechanicznych nowo budowanych statków pasażerskich, przeprowadzono badania dotyczące zależności znosu wiatrowego od kształtu części podwodnej, przy założonej wyporności oraz niezmienionych wymiarach głównych długości i szerokości statku. W artykule przedstawiono porównanie oporu bocznego części podwodnej statku jedno- i dwukadłubowego, mającego bezpośredni wpływ na znos wiatrowy statku. 1. ZNOS WIATROWY ŚRÓDLĄDOWEJ JEDNOSTKI PASAŻERSKIEJ Znos (znos wiatrowy, ang. leeway) jest to zjawisko znoszenia z kursu jednostki pływającej wskutek oddziaływania na nią wiatru przemieszczanie się jednostki jest przy tym określane względem wody (droga po wodzie). Często spotyka się używanie określenia znos zamiennie z dryfem, co stanowi błąd, powielany w różnych opracowaniach w literaturze przedmiotu i na stronach internetowych. Definicje znosu wiatrowego (ang. leeway) i dryfu (ang. drift) są używane niejednoznacznie i niekiedy błędnie opisywane, ponieważ dryf jest to swobodne przemieszczanie się jednostki pływającej, wskutek działania wiatru i prądu, określane względem dna (droga nad dnem).
T. Abramowicz-Gerigk, Z. Burciu, J. Jachowski, Badania wpływu kształtu kadłuba na właściwości... 7 Trudności związane z manewrowaniem statkami na jeziorach mazurskich dotyczą głównie znosu wiatrowego, występującego podczas podchodzenia i odchodzenia od nabrzeża w basenach portowych i podczas żeglugi w wąskich przejściach, np. w Kanale Giżyckim (rys. 1), łączącym jezioro Niegocin z jeziorem Kisajno i kanale podejściowym do portu Giżycko (rys. 2). Rys. 1. Kanał Giżycki, łączący jezioro Niegocin z jeziorem Kisajno [9] Fig. 1. Canal Gizycki between lakes Niegocin and Kisajno [9] Rys. 2. Kanał podejściowy do portu w Giżycku oraz wizualizacja portu i kanału podejściowego na symulatorze nawigacyjno-manewrowym Katedry Eksploatacji Statku SimFlex Navigator 4.6 (wizualizacja obiektów 3D M. Rataj) [9] Fig. 2. Approach channel to Port of Gizycko and visualization of port and approach channel on Full Mission Shiphandling Simulator SimFlex Navigator 4.6 (visualization of 3D objects M. Rataj) [9]
8 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 97, grudzień 2016 Jednostki pasażerskie eksploatowane obecnie na jeziorach mazurskich są w większości jednostkami jednokadłubowymi. Przykładem dużego statku śródlądowego, eksploatowanego na Wielkich Jeziorach Mazurskich, jest statek pasażerski Żeglugi Mazurskiej Tałty (rys. 3), nr budowy B 093/SPJD/4. Skrót SPJD oznacza statek pasażerski jeziorowy duży. Jest on czwartym statkiem z serii, zbudowanym przez Tczewską Stocznię Rzeczną i wyposażonym przez Gdańską Stocznię Rzeczną w 1965 roku. Dane techniczne statku przedstawiono w tabeli 1. Rys. 3. Statek pasażerski Żeglugi Mazurskiej Tałty [12] Fig. 3. Passenger vessel Talty of Zegluga Mazurska [12] Tabela 1. Dane techniczne statku Tałty Table 1. Technical data of the ship Talty Parametry Dane Długość całkowita [m] 33,60 Długość między pionami [m] 31,50 Szerokość całkowita [m] 6,06 Szerokość na wodnicy [m] 5,48 Wysokość boczna [m] 1,55 Wysokość nierozbieralna [m] 3,60 Zanurzenie [m] 0,96 Średnica śruby [m] 0,85 Moc silnika [kw] 169 Prędkość [km/h] 18 Cechuje się on typowym dla statków jeziorowych dużym stosunkiem długości do zanurzenia L/T = 32, dużą boczną powierzchnią nawiewu w stosunku do powierzchni części podwodnej kadłuba oraz małą mocą silnika, które powodują trudności przy manewrowaniu na wietrze. Pomimo zaawansowanego wieku statki te nadal spełniają swoją funkcję, realizując rejsy turystyczne, jednak ze względu na zanurzenie, które wynosi prawie 1 m, oraz nieekologiczny napęd wiele akwenów atrakcyjnych turystycznie jest dla nich niedostępnych akweny płytkowodne i akweny, na których decyzją samorządów poszczególnych powiatów ustanowiona jest strefa ciszy.
T. Abramowicz-Gerigk, Z. Burciu, J. Jachowski, Badania wpływu kształtu kadłuba na właściwości... 9 2. WPŁYW KSZTAŁTU KADŁUBA JEDNOSTKI ŚRÓDLĄDOWEJ NA OPÓR W RUCHU POPRZECZNYM W celu oceny wpływu kształtu kadłuba jednostki śródlądowej na znos wiatrowy przeprowadzono symulacje komputerowe opływu części podwodnej kadłuba oraz obliczono opór statku w ruchu poprzecznym. Porównano opór jednostki jedno- i dwukadłubowej przy założonej długości, szerokości i objętości podwodzia. Opracowano dwa modele 3D kadłuba statku jeziorowego (tab. 2). Do obliczeń numerycznych CFD (Computational Fluid Dynamics) wykorzystano oprogramowanie FlowVision [10], które umożliwiło zastosowanie trójwymiarowego modelu przepływu i pełnoskalowych modeli 3D jednostki, o wymiarach statku rzeczywistego. Obliczenia wykonano na wodzie spokojnej, bez uwzględnienia falowania. Do modelowania ruchu statku z uwzględnieniem zmian przegłębienia, przechyłów bocznych i zanurzenia zastosowano metodę siatek obliczeniowych przenikających (cut-cell method). W modelowaniu turbulencji wykorzystano semiempiryczny dwurównaniowy model k-ε, dla którego zdefiniowano warunki początkowe przy użyciu intensywności turbulencji oraz współczynnika lepkości turbulentnej. Przepływ dwufazowy ze swobodną powierzchnią odwzorowano za pomocą modelu VOF (Volume of Fluid). Poniżej przedstawiono porównanie wyników obliczeń numerycznych opływu w przepływie poprzecznym katamaranu o objętości podwodzia 18 m 3, długości 16,60 m, szerokości 4,80 m, zanurzeniu 0,7 m (model C1), katamaranu o takim samym kształcie jak model C1, wyposażonego dodatkowo w stabilizator w postaci płyty o długości 4 m, umieszczonej centralnie pomiędzy pływakami model C1s oraz jednostki jednokadłubowej, płaskodennej model M1, o takiej samej długości, szerokości i zanurzeniu, jak model C1, ale o większej wyporności. Tabela 2. Modele przyjęte do badań Table 2. Models used in the tests Oznaczenie badanego modelu kadłuba statku C1 C1s M1 Opis Katamaran 1 zadany kształt wyjściowy Katamaran 1S ze stabilizatorem zadany kształt wyjściowy z centralnym stabilizatorem w postaci płyty środkowej Statek jednokadłubowy płaskodenny Zanurzenie [m] 0,7 0,7 0,7 Na rysunku 4 przedstawiono kształt kadłuba katamaranu C1 oraz kształt modelu C1s z płytą umieszczoną pomiędzy kadłubami.
10 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 97, grudzień 2016 Model C1 Model C1s Rys. 4. Kształt kadłuba katamaranu modele C1 i C1s ze stabilizatorem Fig. 4. Catamaran hull form models C1 and C1s with stabilising fin Na rysunkach 5 7 przedstawiono pola prędkości opływu na swobodnej powierzchni w ruchu poprzecznym, dla założonej prędkości przepływu 2 m/s, obliczone dla modeli C1, M1 i C1s. Rys. 5. Pole prędkości opływu w przepływie poprzecznym, kąt dryfu 90, wokół katamaranu w płaszczyźnie swobodnej powierzchni wody model C1 Fig. 5. Free-surface velocities around the catamaran in the lateral flow 90 drift angle model C1
T. Abramowicz-Gerigk, Z. Burciu, J. Jachowski, Badania wpływu kształtu kadłuba na właściwości... 11 Rys. 6. Pole prędkości opływu w przepływie poprzecznym, kąt dryfu 90, wokół kadłuba jednostki płaskodennej w płaszczyźnie swobodnej powierzchni wody model M1 Fig. 6. Free-surface velocities around the monohull in the lateral flow, 90 drift angle model M1 Rys. 7. Pole prędkości opływu w przepływie poprzecznym, kąt dryfu 90, wokół katamaranu z płytą środkową w płaszczyźnie swobodnej powierzchni wody model C1s Fig. 7. Free-surface velocities around the catamaran with central fin in the lateral flow, 90 drift angle model C1s Na rysunku 8 przedstawiono pole prędkości opływu w przekroju poprzecznym dla założonej prędkości przepływu poprzecznego 2 m/s, obliczone dla modelu C1s.
12 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 97, grudzień 2016 Rys. 8. Pole prędkości opływu w płaszczyźnie swobodnej powierzchni wody wokół katamaranu z płytą środkową model C1s) Fig. 8. Free-surface velocities around the catamaran with central fin in the lateral 90 drift angle model C1s Na rysunku 9 przedstawiono opór boczny w przepływie poprzecznym dla badanych trzech modeli kadłubów. Opór ten jest ponaddwukrotnie większy dla modelu C1 niż dla modelu M1. Rys. 9. Opór boczny w przepływie poprzecznym dla badanych trzech modeli kadłubów katamaran C1, katamaran z płytą centralną C1s i jednostka jednokadłubowa M1 Fig. 9. Lateral resistance in lateral flow of the three tested models catamaran C1, catamaran with central fin C1s and monohull M1 Płyta umieszczona pomiędzy kadłubami na modelu model C1s powoduje wzrost oporu w opływie poprzecznym o 7% w stosunku do katamaranu C1. Nieznaczny wzrost oporu wynika z położenia dodatkowej powierzchni w obszarze niskich prędkości. W przypadku ruchu wzdłużnego statku z niezerowym kątem dryfu, na płycie pojawi się siła hydrodynamiczna o kierunku zależnym od kąta dryfu i prędkości [6, 7].
T. Abramowicz-Gerigk, Z. Burciu, J. Jachowski, Badania wpływu kształtu kadłuba na właściwości... 13 Na rysunku 10 przedstawiono opór boczny modeli C1 i C1s przy prędkości przepływu 1 m/s z zadanym kątem dryfu 20. Rys. 10. Opór boczny w przepływie z kątem dryfu 20 modele C1 i C1s Fig. 10. Lateral resistance in 20 drift angle flow models C1 and C1s Na rysunku 11 przedstawiono prędkości znosu wiatrowego przy prędkości postępowej równej 0, wywołane wiatrem działającym prostopadle do burty dla modeli C1, C1s i M1. Napór wiatru odpowiada oporowi aerodynamicznemu na kierunku poprzecznym, który został oszacowany na podstawie statku podobnego. napór wiatru {N} Rys. 11. Prędkości znosu wiatrowego przy prędkości postępowej statku równej 0, wywołane wiatrem działającym prostopadłe do burty, dla modeli C1 katamaran, C1s katamaran ze stabilizatorem i M1 jednostka jednokadłubowa Fig. 11. Leeway with zero surge velocity, induced by lateral wind models C1, C1s and M1
14 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 97, grudzień 2016 Wpływ zastosowania dwóch kadłubów na redukcję znosu wiatrowego jest znaczący, dla statku zatrzymanego obserwuje się ponaddwukrotne zmniejszenie prędkości znosu wiatrowego. Wpływ płyty umieszczonej pomiędzy kadłubami daje kilkuprocentowy spadek prędkości znosu dla statku zatrzymanego. Przy ruchu statku z zadanym kątem dryfu płyta umieszczona pomiędzy kadłubami powoduje, że opór boczny ulega mniejszym zmianom i przyjmuje wartości odpowiadające największym wartościom oporu modelu C1. W celu oceny możliwości redukcji znosu na statku płynącym z niewielką prędkością, bez stosowania rozwiązań zwiększających wymiary główne jednostki, należy przeprowadzić dodatkowe badania opływu z zadanym kątem dryfu [6, 7, 10] i rozważyć zastosowanie pomocniczego urządzenia wytwarzającego poprzeczną siłę oporu. WNIOSKI Zmniejszenie zanurzenia jednostki śródlądowej zwiększa obszar jej eksploatacji i korzystnie wpływa na jej oddziaływanie na środowisko poprzez zmniejszenie oporu i redukcję emisji szkodliwych zanieczyszczeń. Rozszerza również obszar eksploatacji w rejonach płytkowodnych. Przedstawione w artykule obliczenia znosu wiatrowego dla nowo budowanej jednostki śródlądowej, przeznaczonej do obsługi turystycznej na jeziorach mazurskich, potwierdziły zasadność wyboru konstrukcji dwukadłubowej, dla której znos jest znacznie mniejszy niż dla jednostki jednokadłubowej. Spełnienie założenia projektowego ograniczonego znosu jednostki, przyjęte ze względu na bezpieczeństwo wykonywania zadania transportowego w warunkach bocznego wiatru, przeważa w tym przypadku nad dążeniem do uzyskania maksymalnej objętości podwodzia przy minimalnym zanurzeniu statku i wiąże się z koniecznością zastosowania lekkich materiałów konstrukcyjnych. LITERATURA 1. Abramowicz-Gerigk T., Błachuta J., Burciu Z., Granatowicz J., Jacyna M. i in., Opracowanie studium techniczno-ekonomiczno-środowiskowego rewitalizacji i przywrócenia żeglowności dolnej Wisły na odcinku Warszawa-Gdańsk, WP5 of European Project INVAPO "Upgrading of Inland Waterway and Sea Ports" coordinated by Gdynia Maritime University, Akademia Morska w Gdyni, Gdynia 2014. 2. Abramowicz-Gerigk T., Burciu Z., Hejmlich A., Pacholski M., Analiza nawigacyjna obejmująca zagadnienia manewrowania dużym jeziorowym statkiem pasażerskim w basenie portowym Portu Giżycko Żeglugi Mazurskiej, nr KES-2016-T1, Gdynia 2016. 3. Abramowicz-Gerigk T., Burciu Z., The influence of regular river navigation in special protection areas of Natura 2000 network, Journal of Kones, 2016, No. 3.
T. Abramowicz-Gerigk, Z. Burciu, J. Jachowski, Badania wpływu kształtu kadłuba na właściwości... 15 4. Burciu Z., Gąsior A., The analysis of the possibility of revitalization of lower Vistula based on INWAPO European Project, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, 2015, nr 92. 5. Damiano C., Lazzara S., Mancuso A., Virzi Mariotti G., Study on the Efficiency of an Innovative Hull, NAV 2003, International Conference of Ship and Shipping Research, Palermo, June 24 27, 2003. 6. Damiano C., Stroligo M., Virzi Mariotti G., Zotti I., Theoretical and Experimental Comparison among the Resistance Components of a Fast Catamaran in Different Configurations, NAV 2009, 16 th International Conference of Ship and Shipping Research, Vol. I, Messina, 2009, s. 31 39. 7. Guedes Soares C., Sutulo S., Francisco R., Santos F., Moreira L., Full scale measurements of the manoeuvring capabilities of a catamaran, Proc. Hydrodynamics of High-Speed Craft, RINA, London, November 1999, s. 24 25. Źródła internetowe 8. https://www.google.pl/maps/place/giżycko/. 9. https://www.google.pl/search?q=kanał+giżycko&espv. 10. http://www.flowvision.com/. 11. http://zeglugaaugustowska.pl/. 12. http://www.zeglugamazurska.com.pl/. INVESTIGATIONS OF INFLUENCE OF PASSENGER INLAND VESSEL HULL FORM MODIFICATION ON HER OPERATIONAL CHARACTERISTICS. LEEWAY Summary The paper presents the investigations on the influence of a passenger inland vessel hull form modifications on leeway. On the basis of numerical simulations the lateral resistance and leeway under lateral wind force for monohull and catamaran with same main design dimensions were compared. Keywords: leeway, inland vessel, numerical flow field prediction.