Scheepsromp moet glad zijn

Inspectie van een scheepsromp op ruwe delen

Auteur: Paul Schilperoord | Publicatiedatum:

De wrijvingsweerstand tussen een schip en het water vermindert door de romp te ‘smeren’ met luchtbelletjes. Recent onderzoek toont aan dat het effect helemaal verdwijnt als de scheepsromp niet volledig glad en schoon is.

Luchtsmering werkt door een dunne laag luchtbellen uit de romp te laten ontsnappen. Hierdoor ontstaat een luchtlaag die het contact tussen romp en water sterk vermindert. De romp moet daarvoor worden voorzien van bijvoorbeeld kleine gaten of een poreus oppervlak, waar lucht doorheen kan worden geblazen.

 

Onderzoeksinstituut MARIN in Wageningen voerde van 2001 tot en met 2004 onderzoek uit naar de effecten van luchtsmering. Dit als onderdeel van het onderzoeksproject PELS I (Project Energiebesparende Luchtgesmeerde Schepen). Onderzoekspartners waren Van der Giessen de Noord, Damen Shipyards, Bodewes Binnenvaart, Scheepswerf Grave, DK Group, VNSI (Vereniging Nederlandse Scheepsbouw Industrie) en Stichting Bos. PELS I werd in 2005 opgevolgd door PELS II, dat tot en met 2007 doorloopt, en het Europese vervolgproject SMOOTH (Sustainable Methods for Optimal design and Operation of ships with air lubricaTed Hulls), dat duurt van 2006 tot en met 2008.

 

Uit de resultaten tot dusver blijkt dat de theoretische reductie van de wrijvingsweerstand maximaal tachtig procent kan worden. Op de totale weerstand van het schip, die bestaat uit de wrijvings-, golfen vormweerstand, kan de reductie - afhankelijk van het scheepstype - oplopen tot ongeveer veertig procent. Als we het vermogen van de benodigde luchtcompressor doorberekenen, dan is een schip met luchtsmering maximaal tien tot twintig procent efficiënter dan een traditioneel schip. Dat effect zal merkbaar zijn in het brandstofverbruik.

 

Deze waarden zijn gebaseerd op een schip met een schoon en glad rompoppervlak. Aangezien wanden van schepen vrijwel altijd ruw zijn, wilden onderzoekers van de Stichting FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie) en de Universiteit Twente achterhalen of de weerstandsvermindering van de luchtbellen eveneens optreedt bij een ruwe scheepswand.

 

Algen

Begin dit jaar publiceerde de Universiteit Twente in het gezaghebbende tijdschrift Physical Review Letters de resultaten van dit onderzoek. Hoofdconclusie is dat luchtsmering van de scheepsromp zinloos is om de weerstand - en daarmee de brandstofkosten - te verminderen zolang de romp niet volledig glad is. Elke ruwe plek doet de luchtsmering volkomen teniet.

 

In de praktijk groeien scheepswanden vol met schaaldieren, algen en andere ruwheden zoals roestvorming. Hierdoor neemt de wrijvingsweerstand van het schip toe, evenals de energie voor de scheepsaandrijving om die weerstand te overwinnen. Bij testen in Japan met het schip Seiun Maru, dat is voorzien van luchtsmering, bleken de besparingen af te nemen en uiteindelijk zelfs helemaal weg te vallen naarmate de scheepswand ruwer werd. Wil luchtbelleninjectie bredetoepassing vinden in de scheepvaart, dan moet volgens de onderzoekers eerst het probleem van aangekoekte wanden worden opgelost. Een mogelijkheid daarvoor is het aanbrengen van een speciale coating op de scheepswand. Dergelijke coatings zijn momenteel nog in ontwikkeling.

 

Taylor Couette-systeem

Onderzoekers dr. ir. Ramon van den Berg, student Dennis van Gils en prof. dr. Detlef Lohse van de vakgroep physics of fluids, onderdeel van de faculteit Technische Natuurwetenschappen aan de Universiteit Twente, probeerden met een proefopstelling het effect van de ruwheid van een scheepswand op smering met luchtbellen in een turbulente stroming te onderzoeken. De meest geschikte testopstelling was het zogenaamde Taylor Couette-systeem (zie illustratie). De onderzoekers konden gebruikmaken van dit systeem dat beschikbaar werd gesteld door prof. Dan Lathrop van het Institute for Research in Electronics and Applied Physics van de University of Maryland (Verenigde Staten).

 

Het Taylor Couette-systeem bestaat uit twee cilinders: een stilstaande, buitenste cilinder met daarbinnen een tweede, draaiende cilinder. De buitenste cilinder heeft een diameter van 45 centimeter en een hoogte van zeventig centimeter. De binnenste cilinder heeft een kleinere diameter van 32 centimeter. In de ruimte tussen deze twee cilinders zit een vloeistof, in dit geval water. Om deze vloeistof tijdens de meting op een constante temperatuur te houden, bevindt zich in de afsluitende delen aan de boven- en onderkant van de cilinders een koelgedeelte. Hierdoor is de temperatuur tot op 0,1 graad Celsius gelijk te houden en zijn de vloeistofeigenschappen tijdens een meting nagenoeg constant. Dit is van cruciaal belang voor de eigenschappen van de vloeistof, waaronder dichtheid en viscositeit.

 

De binnenste cilinder bestaat uit drie delen, waarvan het middelste deel de feitelijke meetsectie is. Het top- en bodemdeel zijn nodig om de invloed van de boven- en onderkant van de afgesloten opstelling op de meetsectie te verminderen. De draaisnelheid van de binnenste cilinder is instelbaar. Met het instellen van de draaisnelheid wordt het getal van Reynolds bepaald. Dit dimensieloze getal wordt gebruikt om te bepalen of een stroming laminair (langzaam, gelaagd) of turbulent (snel, wervelend) is. De onderzoekers maten eerst de weerstand door de torsie van de binnenste cilinder op de meetsectie te bepalen. De torsie, ofwel de wrijving, is de kracht die de vloeistof bij een bepaalde rotatiesnelheid op de cilinder uitoefent. Hoe hoger de snelheid, des te hoger de kracht op de cilinder. Omdat de testopstelling een gesloten systeem betreft, is de torsie direct te relateren aan de weerstand die de vloeistof uitoefent op de binnenste cilinder.

 

Ruwheid

Om de luchtsmering van een scheepsromp na te bootsen, injecteerden acht naalden luchtbellen onderin de buitenste cilinder. Deze belletjes hadden door de sterke stroming een doorsnede van ongeveer een millimeter en beïnvloedden de torsie die de vloeistof op de binnenste, draaiende cilinder uitoefende. Met twaalf perspex strips aan de binnencilinder en twaalf aan de buitencilinder, bootsten de Twentse wetenschappers de ruwe scheepswand na. Waar het omslagpuntligt, oftewel hoe ruw de scheepswand moet zijn om het effect van luchtsmering geheel teniet te doen, hebben de onderzoekers niet kunnen achterhalen in dit onderzoek. Feit is wel dat de ruwheden groter moeten zijn dan de grenslaag tussen scheepswand en water. In het onderzoek is uitgegaan van een grenslaag van ongeveer een halve millimeter. De perspex strips hadden een breedte en een hoogte van vijf millimeter, zodat de grenslaag zeker verstoord werd.

 

De onderzoekers hadden met de strips vier verschillende testmogelijkheden: gladde wanden met en zonder bellen en ruwe wanden met en zonder bellen. Uit het onderzoek bleek dat de ruwheid cruciaal is voor de weerstand. Zonder luchtbellen was de benodigde energie om hetzelfde getal van Reynolds te behalen bij ruwe wanden maar liefst twintig keer zo hoog als bij gladde wanden. De toevoeging van extra luchtbellen kan dit effect niet verminderen.

 

MARIN, dat binnen PELS II en SMOOTH luchtsmering onderzoekt, bekijkt de effecten van een niet-gladde romp en die van speciale coatings voor luchtsmering nog verder. Dit gebeurt in samenwerking met de faculteit Technische Natuurwetenschappen van de Universiteit Twente en de faculteiten Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek vande TU Delft. Na het onderzoek en verdere praktijktesten is met meer duidelijkheid te zeggen wat de werkelijke mogelijkheden van luchtsmering voor praktijktoepassing zijn.

 

www.marin.nl

‹ VorigeVolgende ›

Deel deze pagina
Maritiem Nederland

Welkom op de site van Maritiem Nederland, hét opinie- en vakblad voor de gehele maritieme sector in Nederland.

Editie MN 10-2018

Word abonnee!

Neem nu een abonnement en ontvang elke maand hèt vakblad voor de maritieme sector op de deurmat.

Bestel nu GRATIS 2 proefnummers

Sluit nu een abonnement af!

Volg ons op Twitter

Partners Maritiem Nederland