Splavitev ladje v računalniku

Iz revije Hi!tech 1/19, avgust 2019

Ko pomislimo na križarjenje z ladjo, pomislimo na sonce, modro morje in svež morski zrak. Pri tem pa pogosto pozabljamo, da približno 70.000 trgovskih in potniških ladij, ki trenutno plujejo po svetovnih vodah, kuri težko olje in tako v svetovnem merilu občutno prispeva k onesnaženju zraka. Dejstvo je, da mnoge ladje niso posebej učinkovite in zato potrebujejo sorazmerno veliko okolju neprijaznega goriva. Mednarodna pomorska organizacija iz Londona je zato izdala predpis, da morajo biti novozgrajene ladje od leta 2025 naprej za najmanj 30 odstotkov bolj učinkovite kot tiste, ki so iz ladjedelnic prišle do leta 2014.

Toda kako v le nekaj letih porabo goriva na ladjah zmanjšati za skoraj tretjino? Odgovor pozna Norbert Bulten: "Odločilna pri tem je konstrukcija ladje, še posebej pogona, propelerja, pogonskega sistema ter pretoka vode na krmilo in propeler,” pravi vodja oddelka za ladijske pogone pri izdelovalcu ladijske tehnike Wärtsilä iz Nizozemske. Norbert Bulten se že dvajset let ukvarja z optimizacijo pogonske konstrukcije in se že od vsega začetka zanaša na pomoč računalnika – ter na Siemensovo programsko opremo, ki omogoča preračunavanje pretoka tekočin po metodi komputacijske dinamike tekočin oziroma CFD (ang. Computational Fluid Dynamics). Poenostavljeno rečeno s to metodo ugotavljamo, ali je dotok vode na pogonski sistem ladje dovolj velik, ali prihaja do uporov in kako učinkovito se zmogljivost motorjev prevaja v pogonsko silo. Pri podjetju Wärtsilä za CFD uporabljajo programsko platformo Siemens Simcenter STAR-CCM+.

Še pred 20 leti je bilo zaupanje v CFD zelo nizko, se spominja Norbert Bulten: "V panogi se že desetletja opirajo na testiranja v vodnem toku, pri čemer se modeli ladij vlečejo po vodi. Na ta način preizkušamo, ali konstrukcija deluje, kot je bilo načrtovano." Na začetku je Norbert Bulten s svojo ekipo načrtoval samo posamezne komponente, na primer propeler in okoliške sisteme. In vendar se je kljub temu vedno znova izkazalo, da tudi CFD lahko veliko prispeva h končnemu rezultatu. Na primer pri ladji v izgradnji, pri kateri se izkaže, da je pretočni upor povišan. Z uporabo CFD se izvede minimalna prilagoditev konstrukcije, ustrezno ponovno varjenje na ladji pa je narejeno v suhem doku v ladjedelnici. Po nekaj dneh je popolna. "Zadržki pa so bili kljub temu še dolgo prisotni,” pravi Bulten. Toda tudi to se zadnje čase hitro spreminja. Že nekaj časa CFD omogoča modeliranje celotnih ladij. "Računalnik prikaže obnašanje velike ladje med vožnjo, s čimer pridobimo celovit vpogled v delovanje tokov. Ključno vlogo pri tem ima zasnova ladijskega propelerja." Za razliko od proizvodnje avtomobilov je namreč vsaka ladja unikat, za katerega je potrebno razviti lasten, optimalno prilagojen propeler. "Zasnova tega propelerja pa je umetnost." Osnutek se običajno izvede v CAD programih na Siemensovi NX platformi. S pomočjo CFD pa računalnik iz zasnove izvleče še zadnje atome učinkovitosti. 

Individualno izračunavanje je zanimivo tudi za posodabljanje ladij. Ob nastopu gospodarske krize leta 2008 so se ladijski prevozniki odločili, da bodo zaradi varčevanja z gorivom velike kontejnerske ladje plule počasneje, in sicer nič več z 28 vozli hitrosti kot do takrat, ampak le še z 20 vozli. Toda pri manjši hitrosti so običajni propelerji s šestimi lopaticami in njihovo veliko površino manj učinkoviti. "Ladijske prevoznike smo uspeli prepričati, da uporabijo nove ožje propelerje s štirimi lopaticami in manjšo površino lopatic, ki smo jih s pomočjo CFD prilagodili vsaki ladji posebej. S to nadgradnjo bodo ladjarji v nekaj letih prihranili veliko količino goriva,” razlaga Bulten.

Z možnostjo izračuna ladij v polni velikosti je Norbert Bulten v zadnjem času dosegel kar nekaj uspehov. Pri naročilu ladje, ki naj bi imela hitrost preko 13 vozlov, so testiranja z modelom v kanalu pokazala, da ladja te hitrosti s trenutno zasnovo konstrukcije ne bo dosegala. CFD program na platformi Simcenter STAR-CCM+ pa je pokazal, da bo ladja uspela doseči hitrost 13 vozlov in naročnik se je odločil, da ladjo zgradi kot predlagano. Bulten je imel prav. Pri testni vožnji je ladja zlahka dosegla hitrost 13 vozlov. "Nam in številnim strokovnjakom iz panoge je ta preizkus dokazal, da je postopek CFD danes prav tako zmogljiv kot pa preizkus v vodnem rezervoarju,” pravi Bulten. 

V nečem pa sta si CFD in testiranje v vodnem rezervoraju vseeno podobna – obema manjka pomembna komponenta, in sicer konstruiranje in preizkušanje v realnih pogojih. Trenutno se tako testi z modeli kot tudi izračunavanja na računalniku izvajajo v pogojih mirnega morja. Bulten zato želi v CFD uvesti več dinamike: "V CFD program želimo v prihodnje dovajati podatke meritev v realnem času in iz dejanskega obratovanja ladij na morju, na primer stanje propelerja, turbulence ali pa vpliv valov." V CFD programu bodo zato izdelali digitalnega dvojčka ladje, ki bo nato v računalniku preizkušena in optimizirana v tako rekoč realnih pogojih. Norbert Bulten meni, da takšen razvoj CFD predstavlja začetek nove dobe: "Preizkušanja v vodnem rezervoarju se bodo morala počasi umakniti in prepustiti svoje mesto računalniku."