ΑΠΟΝΕΡΑ ΤΑΧΥΠΛΟΩΝ ΣΚΑΦΩΝ Γ. Γρηγορόπουλος, Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΜΠ Δ. Χαλκιάς, Υποψήφιος Διδάκτορας ΕΜΠ Εργαστήριο Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 15773 Ζωγράφου ΠΕΡΙΛΗΨΗ Από τα τέλη της δεκαετίας του 1980 πολλά συμβατικά πλοία της Ελληνικής, αλλά και γενικότερα της Ευρωπαϊκής ακτοπλοΐας αντικαταστάθηκαν από ταχύπλοα σκάφη. Αν και τα τελευταία μειώνουν περίπου στο μισό το χρόνο του θαλάσσιου ταξιδιού, η δρομολόγησή τους δεν είναι απαλλαγμένη προβλημάτων. Το σημαντικότερο από αυτά είναι τα μεγάλου ύψους κύματα που παράγουν κατά την πλεύση τους. Τα κύματα αυτά προσπίπτουν στις παρακείμενες ακτές προκαλώντας διάβρωση και απειλούν τη ζωή των κολυμβητών και των επιβατών μικρών σκαφών αναψυχής. Στην παρούσα εργασία συγκρίνεται η συμπεριφορά ενός τυπικού μονόγαστρου Ε/Γ-Ο/Γ και ενός ισοδύναμου δίγαστρου σκάφους, όσον αφορά το ύψος κύματος και την πυκνότητα ενέργειας των κυμάτων που παράγουν. WAVE WASH OF HIGH-SPEED CRAFT G. Grigoropoulos, Associate Professor NTUA D. Chalkias, Doctoral Candidate NTUA Laboratory for Ship and Marine Hydrodynamics, Nat. Technical Univ. of Athens 9 Iroon Polytechniou str. 15773 Zografou, tel. +30 210 772 1036, gregory@central.ntua.gr ABSTRACT Since the late 80s many conventional ships of the Greek and more generally the European short-sea shipping were replaced by advanced high-speed ships. The latter almost halved the sailing time. However, the operation of high-speed craft is associated with some novel problems, the most important of which are the high wash waves created while sailing at high speeds. These waves erode the nearby shoreline and threaten the life of swimmers as well as passengers on board of recreational small craft. In this work the wash characteristics (wave height and energy density) of a typical high-speed ferry are compared with those of an equivalent catamaran.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πρόβλημα των απόνερων που προέρχονται από ταχύπλοα σκάφη είναι γνωστό πάνω από ένα αιώνα. Στις αρχές του περασμένου αιώνα ένα αγόρι πνίγηκε από τα κύματα των απόνερων του διερχόμενου αντιτορπιλικού NOVIK, που παρέπλεε με ταχύτητα 37 κόμβων. Με αφορμή αυτήν την απώλεια, ο πρωτοπόρος της ναυτικής υδροδυναμικής Krylov ξεκίνησε μια διερεύνηση για την επίδραση των κυμάτων από τα απόνερα πλοίων στις ακτές (Lyakhovitsky et al, 2003). Εν τούτοις, εκτός από τα πολεμικά πλοία, τα Ε/Γ και Ε/Γ-Ο/Γ πλοία δεν λειτουργούσαν σε ταχύτητες μεγαλύτερες των 25 κόμβων μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1980. Τα πρώτα ταχύπλοα σκάφη που δρομολογήθηκαν στην Ευρωπαϊκή ακτοπλοΐα μικρών αποστάσεων ήταν μεγάλα μονόγαστρα Ε/Γ-Ο/Γ, μήκους άνω των 100 μέτρων που έπλεαν σε ταχύτητες που αντιστοιχούν σε αριθμό Froude Fn περί το 0.60. Στη συνέχεια δρομολογήθηκαν δίγαστρα σκάφη (catamaran) και άλλοι προηγμένοι τύποι μορφών γάστρας, όπως SES, wave-piercers κλπ (Grigoropoulos, 2004). Η λειτουργία όμως των ταχυπλόων σκαφών κοντά στις ακτές συνοδεύεται από την παραγωγή επικίνδυνων κυμάτων στα απόνερα, τα οποία αφ ενός μεταφέρουν μακροπρόθεσμα ίζημα κατά μήκος της ακτογραμμής, και αφ ετέρου εμφανιζόμενα αιφνιδίως θέτουν σε κίνδυνο τη ζωή των κολυμβητών και των επιβαινόντων σε μικρά σκάφη αναψυχής και αλιευτικά. Η δρομολόγηση πολλών ταχυπλόων σκαφών όξυνε τα παραπάνω προβλήματα και προκάλεσε το ενδιαφέρον των ερευνητών. Ήδη το 1994 ο Gadd μελέτησε το πρόβλημα των απόνερων ταχύπλοων τόσο στο θαλάσσιο περιβάλλον όσο σε κανάλια, με ιδιαίτερη έμφαση σε σκάφη αναψυχής. Στις πιο πρόσφατες σχετικές μελέτες εντάσσονται η έρευνα του Danish Maritime Authority (DMA) (1997), που εξετάζει την επίδραση στο περιβάλλον των υψηλής ταχύτητας Ε/Γ Ο/Γ σε βαθύ και ρηχό νερό, καθώς και η έρευνα του Maritime and Coastal Agency (MCA) (2002) που εξετάζει τα χαρακτηριστικά απόνερων διαφόρων τύπων ταχυπλόων σκαφών σε ρηχό νερό. Πάντως τα υπάρχοντα αποτελέσματα θεωρούνται ανεπαρκή για την κατανόηση του προβλήματος και τη διατύπωση προτάσεων για τον περιορισμό του επιπτώσεών του. Τη διαπίστωση αυτή κάνει και η Διεθνής Ένωση Πειραματικών Δεξαμενών (24 th ITTC, 2005), που πρότεινε τη διενέργεια συστηματικών πειραμάτων για τη περαιτέρω διερεύνηση των απόνερων πλοίων. Οι λιμενικές αρχές, από την άλλη πλευρά, επιβάλλουν κανονισμούς για τον περιορισμό του ύψους των κυμάτων που φθάνουν στην ακτή. Οι αντίστοιχες Ελληνικές αρχές, βασιζόμενες σε καθαρά ποιοτικά και εμπειρικά κριτήρια αρκούνται στην επιβολή μείωσης της ταχύτητας των μεγάλων ταχύπλοων πλοίων στην περιοχή των λιμένων απόπλου και προορισμού και όταν παραπλέουν ακτές. Όπως θα δειχθεί στη συνέχεια, απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή, διότι το ύψος του κύματος των απόνερων ταχυπλόων σκαφών μεγιστοποιείται σε κάποια κρίσιμη ταχύτητα, μειούμενο στη συνέχεια. Επομένως, η μείωση της ταχύτητας δεν οδηγεί πάντοτε σε μείωση του ύψους των απόνερων. Το Μάρτιο 2004 το Εργαστήριο Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής (ΕΝΘΥ) του ΕΜΠ ανέλαβε στα πλαίσια του επιχορηγούμενου από το ΥΠΕΠΘ προγράμματος ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ την αριθμητική και πειραματική διερεύνηση των επιδράσεων των απόνερων στις ακτές. Στους στόχους του προγράμματος περιλαμβάνονται η διαμόρφωση κανονισμών για τον περιορισμό των κινδύνων από τα απόνερα και η παραγωγή ταχύπλοων γαστρών με βελτιστοποιημένα χαρακτηριστικά όσον αφορά τα κύματα των απόνερων κατά την πλεύση τους.
Στην παρούσα εργασία εξετάζονται αριθμητικά τα χαρακτηριστικά ενός ταχύπλοου μονόγαστρου Ε/Γ-Ο/Γ συγκριτικά με ένα «ισοδύναμο» δίγαστρο. Η έννοια της «ισοδυναμίας» των δύο πλοίων εκφράζεται μέσω της ίδιας μεταφορικής ικανότητάς τους, που έχει σαν συνέπεια τα αντίστοιχα εκτοπίσματα να είναι παρεμφερή. Φυσικά το μήκος του μονόγαστρου είναι μεγαλύτερο του δίγαστρου. Στην προσπάθεια να χρησιμοποιηθούν στη μελέτη τυπικά πλοία της Ελληνικής ακτοπλοΐας, επελέγη ένα μονόγαστρο πλοίο που βασίζεται στη συστηματική σειρά ταχυπλόων του ΕΜΠ (Grigoropoulos and Loukakis, 2002) και μοιάζει στη μορφή και τις διαστάσεις με το Τ/Σ «ΑΙΟΛΟΣ ΕΞΠΡΕΣ», ενώ ως δίγαστρο επελέγη το Τ/Σ «HIGHSPEED 4». Πριν την παράθεση των αριθμητικών υπολογισμών και των αποτελεσμάτων θα παρουσιαστούν οι βασικές έννοιες που διέπουν το πρόβλημα και το υφιστάμενο πλέγμα των κανονισμών για τον έλεγχο των δυσμενών επιδράσεων στις ακτές. 2. ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Κατά την πλεύση του με ταχύτητα V σε νερό με βάθος h ένα πλοίο με μήκος ισάλου L παράγει κυματισμούς λόγω διαταραχής της πίεσης που προκαλεί το πεδίο ροής. Η μορφή των κυματισμών εξαρτάται από τους αδιάστατους αριθμούς Froude Fn και F h με βάση το μήκος L και το βάθος h, που ορίζονται (g = η επιτάχυνση της βαρύτητας) ως: V Fn, (1) gl V Fh (2) gh Κρίσιμες τιμές των αριθμών αυτών είναι το 0.5 και το 1.0, αντίστοιχα. Εάν ο αριθμοί Fn και F h είναι μικρότερος των παραπάνω τιμών (συμβατικό πλοίο εκτοπίσματος σε υποκρίσιμη ταχύτητα) διακρίνουμε δύο συστήματα παραγομένων κυματισμών τους αποκλίνοντες (κύματα Kelvin) και τους εγκάρσιους. Οι εγκάρσιοι κυματισμοί εξασθενούν γρήγορα καθώς απομακρύνονται από τη πορεία του πλοίου, ενώ οι αποκλίνοντες παριστάνουν το κυματικό πεδίο μακράν του πλοίου. Όσον αφορά τις επιδράσεις στις ακτές μας ενδιαφέρουν οι αποκλίνοντες κυματισμοί με ταχύτητα C p C p g k tanh(kh) Vcos (3) όπου: k = 2π/λ ο κυματικός αριθμός (λ = μήκος κύματος), και θ = η γωνία διάδοσης των κυματισμών ως προς την πορεία του πλοίου. Η σχέση (3) εκφυλίζεται στην C p g k όταν αναφέρεται σε βαθύ νερό. Στην περίπτωση αυτή το μήκος κύματος συνδέεται με την περίοδο μέσω της σχέσης λ = Τg/(2π). Από τη σχέση (1) προκύπτει η άμεση εξάρτηση της μορφής των κυμάτων από την ταχύτητα. Δεδομένου ότι τα πλοία που εξετάζονται στη συνέχεια είναι ελαφρά σκάφη ημι-
εκτοπίσματος που λειτουργούν σε ταχύτητες υπηρεσίας 35-40 κόμβων και, συνεπώς, αριθμούς Fn μεγαλύτερους του 0.50, η τιμή του αριθμού F h είναι παράμετρος καθοριστική για τη μορφή των απόνερων. Όμως οι παραπάνω ταχύτητες οδηγούν στην κρίσιμη τιμή του αριθμού F h = 1 όταν το βάθος του νερού είναι 33 43 μέτρα. Γενικώς, οι περιοχές λειτουργίας των σκαφών αυτών, ιδιαίτερα στις Ελληνικές θάλασσες διαθέτουν βάθη αρκετά μεγαλύτερα από το παραπάνω, οπότε ο αριθμός F h λαμβάνει τιμές μικρότερες της κρίσιμης και η μορφή των απόνερων είναι ίδια με αυτή σε νερό με πολύ μεγάλο βάθος. Για την περιγραφή των κυμάτων των απόνερων χρησιμοποιούνται η περίοδος Τ και το μέγιστο ύψος Η, όπως ορίζονται στο Σχ. 1 με το δείκτη «ΜΑΧ». Γενικά τα ταχύπλοα που εξετάζονται στην παρούσα εργασία παράγουν κύματα με περίοδο περί τα 8-10 sec, σε αντίθεση με τα αντίστοιχα συμβατικά που παράγουν κύματα περιόδου περί τα 4-5 sec. Διαμήκης τομή κύματος 1.50 1.00 Ανύψωση νερού z(m) 0.00-500 -400-300 -200-100 0 100 200-0.50 H MAX 0.50-1.00 T MAX /2 x(m) -1.50 Σχήμα 1. Προσδιορισμός μέγιστου ύψους και μισής περιόδου κυματισμών. Τα χαρακτηριστικά των κυμάτων που παράγονται από τα πλοία μπορούν να εκτιμηθούν αριθμητικά με τη βοήθεια της δυναμικής θεωρίας, ή να καταγραφούν με ειδικούς πλωτήρες κατά τη διάρκεια δοκιμών με πρότυπα υπό κλίμακα στη θάλασσα ή σε λίμνη, ή κατά τη διέλευση του ιδίου του πλοίου. Στην τελευταία περίπτωση οι πλωτήρες τοποθετούνται σε εγκάρσια απόσταση 300 μέτρων από το πλοίο. Όσον αφορά τη διάδοση των κυμάτων των απόνερων πλοίου αυτή εξαρτάται εκτός από τη μορφή τους και από τη βαθυμετρία. Όταν τα μακριά κύματα διαδιδόμενα εισέρχονται σε ρηχά νερά, δηλ. νερά με βάθος μικρότερο από το μισό του μήκους κύματος, η ταχύτητα διάδοσής τους μειώνεται με συνέπεια αύξηση του ύψους τους. Το φαινόμενο αυτό καλείται shoaling και είναι πολύ μικρότερης έκτασης στην περίπτωση των κυμάτων μικρής περιόδου και, επομένως, μικρού μήκους κύματος, οπότε το βάθος του ρηχού νερού είναι πολύ μικρότερο. Επίσης, σ αυτή την περίπτωση παρατηρούνται διάθλαση, περίθλαση και μερική ανάκλαση των κυμάτων που προκαλούνται από πολύπλοκες βαθυμετρίες.
3. ΕΘΝIKOI ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΙ Τόσο ευρωπαϊκές χώρες όσον και οι ΗΠΑ και ο Καναδάς έχουν αναφέρει προβλήματα που προέρχονται από τα απόνερα ταχυπλόων σκαφών παραπλεόντων τις ακτές τους. Οι περισσότερες των χωρών αυτών περιορίζονται στην αυθαίρετη επιβολή περιορισμού της ταχύτητας των ταχυπλόων σκαφών όταν ευρίσκονται σε απόσταση μικρότερη των λίγων ναυτικών μιλίων από κατοικημένες ακτές. Την τακτική αυτή ακολουθεί και η χώρα μας. Έτσι τα κατά τόπους λιμεναρχεία εκδίδουν εγκυκλίους που επιβάλλουν σε συγκεκριμένα ταχύπλοα σκάφη, όταν παραπλέουν τις ακτές, μεγίστη ταχύτητα πλεύσης αρκετά μικρότερη από την υπηρεσιακή τους. Ας σημειωθεί εδώ ότι, σε αντίθεση με την απότομη, κατά τη σταδιακή μείωση της ταχύτητας, δημιουργούνται μοναχικά υψηλά κύματα (cnoidal / solitary waves or solitons) που επιδρούν στην ακτή. Οι περιορισμοί αυτοί σε ορισμένες περιπτώσεις είναι ιδιαίτερα δεσμευτικοί, όπως στην περίπτωση του περάσματος Rich στην πολιτεία Washington των ΗΠΑ που επιβάλλουν τα παρακάτω κριτήρια: Απόνερα ύψους 28 cm σε απόσταση 300 m από την πορεία του πλοίου σε βαθύ νερό. Πυκνότητα ενέργειας απόνερων 2450 Joules/m στο ψηλότερο σημαντικό κύμα από μια συστοιχία κυμάτων στην ίδια απόσταση όπως παραπάνω από το πλοίο. Πιο τεκμηριωμένη είναι οι νομοθεσίες της Δανίας και του Ηνωμένου Βασιλείου. Η Δανία που επιβάλλει στο χειριστή να αποδείξει ότι το μέγιστο ύψος των κυματισμών που δημιουργούνται κατά την πλεύση του σκάφους δεν υπερβαίνει την τιμή H h, όπου: 4.5 H h 0.5, όπου T h είναι η μέση περίοδος των κυματισμών (4) T h Το κριτήριο αυτό εφαρμόζεται σε βάθος νερού 3 μέτρων. Για περίοδο κυμάτων 9 sec δίνει ύψος 0.35 μέτρα, που αντιστοιχεί στο ύψος των απόνερων των συμβατικών (μικρής ταχύτητας) πλοίων. Το Ηνωμένο Βασίλειο απαιτεί την εκπόνηση μελέτης εκτίμησης της ασφάλειας (Formal Safety Assessment, FSA) για τον υπολογισμό των επιπτώσεων των κυμάτων στις ακτές. 4. ΑΝΑΛΥΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ Ο κώδικας που χρησιμοποιήθηκε για τους αριθμητικούς υπολογισμούς είναι το πακέτο SWAN-2 που αναπτύχθηκε στο MIT (Sclavounos, 1996) και επιλύει τη δυναμική ροή με ελεύθερη επιφάνεια στο πεδίο του χρόνου με τη βοήθεια πηγών Rankine που κατανέμονται τόσο στην βρεχόμενη όσον και στην ελεύθερη επιφάνεια (Rankine Panel Methods, RPM). Η μεθοδολογία που χρησιμοποιεί το πρόγραμμα SWAN πλεονεκτεί έναντι των άλλων συναφών μεθόδων στον υπολογισμό του κυματικού πεδίου, διότι εισάγει πολύ μικρότερα σφάλματα όσο το πεδίο απομακρύνεται από το πλοίο (Sclavounos and Nakos, 1988). Ωστόσο, οι κώδικες αυτής της κατηγορίας δεν έχουν τη δυνατότητα να υπολογίσουν το κυματικό πεδίο σε μεγάλη απόσταση από το πλοίο, παρά μόνο μέχρι μερικά μήκη
πλοίου πρύμνηθεν (Bertram and Hughes, 1999). Εντούτοις, έχει δειχθεί ότι εκτός του πολύ κοντινού πεδίου ροής, η γραμμική θεωρία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσεγγισθεί η εξασθένηση των κυμάτων του πλοίου. Ο υπολογισμός του ύψους κύματος σε απόσταση 300 μέτρων από τη πορεία του πλοίου μπορεί να γίνει με τον τύπο: H y 300 3 300 Hy (5) όπου y είναι η απόσταση του σημείου από την πορεία του πλοίου στο οποίο υπολογίζεται αριθμητικά το ύψος κύματος. Θεωρείται ότι η περίοδος διατηρείται σταθερή στην περιοχή μακράν του πλοίου. Η πυκνότητα ενέργειας υπολογίζεται από μια σχέση για τα γραμμικά κύματα: 2 gh L E (6) 8 όπου είναι η πυκνότητα του νερού και για το μετρικό σύστημα μονάδων και για βαθιά νερά, γίνεται: E 2 2 (7) 1961H T Οι Doctors and Day (2001) έδειξαν πειραματικά ότι η κυβική ρίζα της σχέσης (5) κυμαίνεται στην πράξη από 0.20-0.50 (5 η τετραγωνική ρίζα, αντίστοιχα). Όπως αναφέρθηκε και στην εισαγωγή, η παρούσα εργασία στοχεύει στην συγκριτική διερεύνηση των κυμάτων στα απόνερα δύο «ισοδύναμων» κατά την έννοια της μεταφορικής ικανότητας Ε/Γ-Ο/Γ, ενός μονόγαστρου και ενός δίγαστρου. Τα κύρια χαρακτηριστικά των επιλεγέντων πλοίων δίνονται στο Πίνακα 1. Οι ναυπηγικές γραμμές των δύο γαστρών παραθέτονται στα σχέδια εγκαρσίων τομών των Σχ. 2 και 3. Πίνακας 1. Κύρια χαρακτηριστικά των συγκρινόμενων πλοίων ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΟ τ. ΑΙΟΛΟΣ ΕΧΠΡΕΣ HIGHSPEED 4 Τύπος γάστρας Μονόγαστρο Δίγαστρο Μήκος ολικό LOA [m] 107.0 92.6 Μήκος μετ. καθέτωνlpp [m] 99.0 80.2 Πλάτος ισάλου BWL [m] 14.7 23.4 Μέσο βύθισμα TD [m] 2.78 3.8 Υπηρεσ. ταχύτητα VS [kn] 36 40 Εκτόπισμα Δ [t] 1563 1602
Σχήμα 2. Ταχύπλοο μονόγαστρο σκάφος της συστηματικής σειράς ταχυπλόων του ΕΜΠ. Σχήμα 3. Ταχύπλοο δίγαστρο HIGHSPEED 4 Οι υπολογισμοί έγιναν για ένα μεγάλο εύρος ταχυτήτων (22-40 κόμβοι) υποθέτοντας ότι τα πλοία ταξιδεύουν σε βαθύ νερό, όπως συμβαίνει συνήθως. Στη βιβλιογραφία συναντά κανείς τα χαρακτηριστικά των απόνερων των πλοίων σε διάφορες εγκάρσιες αποστάσεις από τον άξονα συμμετρίας τους. Όμως, κατά τη συγκριτική διερεύνηση των απόνερων πλησίον των δύο γαστρών, που έχουν σημαντική διαφορά στο πλάτος, αυτό αποβαίνει εις βάρος του δίγαστρου. Έτσι, στο Σχ. 4 δίνονται τα μέγιστα ύψη των κυμάτων
σε κοινή απόσταση 28 μέτρων από την εξωτερική πλευρά των πλοίων. Όπως προκύπτει από το σχήμα αυτό, τα απόνερα και των δύο πλοίων είναι πάνω από ένα μέτρο σε όλες τις περιπτώσεις. Επιπλέον, το μονόγαστρο σκάφος εμφανίζει σαφώς χαμηλότερο ύψος κύματος σε ταχύτητες μέχρι τους 37 κόμβους. Όμως, εξετάζοντας τα αποτελέσματα στις ταχύτητες υπηρεσίας των δύο γαστρών προκύπτει ότι το δίγαστρο στους 40 κόμβους παράγει ελαφρά χαμηλότερα απόνερα από το μονόγαστρο στους 36 κόμβους. Maximum wave Heght corrected @ the same distance from ship side 3.0 2.5 Μέγιστο Ύψος Κύματος (m) 2.0 1.5 1.0 0.5 ΜΟΝΟΓΑΣΤΡΟ τ. ΑΙΟΛΟΣ ΕΞΠΡΕΣ HIGHSPEED 4 0.0 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 Ταχύτητα Πλοίου (κόμβοι) Σχήμα 4. Μέγιστο ύψος κύματος του μονόγαστρου και του δίγαστρου σε εγκάρσια απόσταση 28 μέτρων από την πλευρά τους. Αντίθετα στα Σχ. 5 και 6 δίνονται το μέγιστο ύψος κύματος και η ενέργεια των κυμάτων σε εγκάρσια απόσταση 300 μέτρων από την πορεία των δύο πλοίων, με αναφορά το επίπεδο συμμετρίας τους. Όπως προκύπτει από τα σχήματα αυτά, το ύψος του αποκλίνοντος κύματος μεγιστοποιείται στις ταχύτητες των 34 και 28 κόμβων για το μονόγαστρο και το δίγαστρο, αντίστοιχα. Η μέγιστη τιμή για το δίγαστρο (1.12 μέτρα) είναι σαφώς μεγαλύτερη από αυτή για το μονόγαστρο (0.82 μέτρα). Στις ταχύτητες αυτές και η πυκνότητα ενέργειας παρουσιάζει μέγιστο. Αντίθετα, στις ταχύτητες υπηρεσίας των δύο σκαφών η εικόνα είναι διαφορετική, αφού το δίγαστρο παράγει κύματα μεγίστου ύψους 0.64 μέτρων, ενώ το αντίστοιχο ύψος για το μονόγαστρο είναι 0.81 μέτρα. Από τα σχήματα αυτά επιβεβαιώνεται και ο ισχυρισμός ότι η μείωση της ταχύτητας δεν οδηγεί αναγκαστικά και σε μείωση των παραγομένων κυματισμών. Για να αποκτήσει ο αναγνώστης καλύτερη εποπτεία του μεγέθους των κυμάτων συναρτήσει της εγκάρσιας απόστασης από το πλοίο, παρατίθενται στα Σχ. 7 και 8 οι αντίστοιχες κυματομορφές σε αποστάσεις 35, 40 70 και 80 μέτρων από το επίπεδο συμμετρίας του.
Maximum wave Heght corrected @ 300 metres form ship track 1.2 Μέγιστο Ύψος Κύμματος (m) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 ΜΟΝΟΓΑΣΤΡΟ τ. ΑΙΟΛΟΣ ΕΞΠΡΕΣ HIGHSPEED 4 0.0 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 Ταχύτητα Πλοίου (κόμβοι) Σχήμα 5. Μέγιστο ύψος κύματος του μονόγαστρου και του δίγαστρου σε εγκάρσια απόσταση Energy 300 μέτρων density corrected από το @ 300 επίπεδο metres from συμμετρίας ship track τους. 100000 90000 Πυκνότητα Ενέργειας (joule/m) 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 ΜΟΝΟΓΑΣΤΡΟ τ. ΑΙΟΛΟΣ ΕΞΠΡΕΣ HIGHSPEED 4 0 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 Ταχύτητα Πλοίου (κόμβοι) Σχήμα 6. Πυκνότητα ενέργειας μεγίστου αποκλίνοντος κυματισμού του μονόγαστρου και του δίγαστρου σε εγκάρσια απόσταση 300 μέτρων από το επίπεδο συμμετρίας τους Τα παραπάνω αποτελέσματα για το μονόγαστρο πλοίο, πρόκειται σύντομα να συγκριθούν με μετρήσεις με μεγάλο πρότυπο στη θάλασσα, αλλά και με καταγραφή των απόνερων των ιδίων των πλοίων.
1.20 1.00 0.80 35 40 70 80 0.60 0.40 0.20 0.00-400 -300-200 -100 0 100-0.20-0.40-0.60-0.80-1.00 Σχήμα 7. Κυματομορφές των απόνερων του μονόγαστρου σκάφους σε διάφορες αποστάσεις από το επίπεδο συμμετρίας του. 1.20 1.00 0.80 35 40 70 80 0.60 0.40 0.20 0.00-400 -300-200 -100 0 100-0.20-0.40-0.60-0.80-1.00 Σχήμα 8. Κυματομορφές των απόνερων του δίγαστρου σκάφους (HIGHSPEED 4) σε διάφορες αποστάσεις από το επίπεδο συμμετρίας του. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι τα απόνερα των σύγχρονων ελαφρών ταχυπλόων σκαφών, που λειτουργούν σε υψηλές ταχύτητες (35-40 κόμβοι), εμφανίζουν μεγάλο ύψος κύματος το οποίο, σε συνδυασμό με την αιφνίδια εμφάνισή τους, τα καθιστά ιδιαίτερα επικίνδυνα για τους λουόμενους και τους επιβαίνοντες μικρών σκαφών στις παρακείμενες ακτές. Όπως δε έδειξαν οι Chalkias και Grigoropoulos (2005) το πρόβλημα αφορά μόνον τους τύπους ελαφρών ταχυπλόων σαν αυτούς που εξετάστηκαν στην παρούσα εργασία και όχι τα πιο αργά ταχέα σκάφη εκτοπίσματος που λειτουργούν σε μικρότερες ταχύτητες 24-28 κόμβων. Για να γίνει ακόμη πιο κατανοητή η σοβαρότητα του προβλήματος, υπολογίστηκε η απόσταση από την πορεία των πλοίων, ώστε να ικανοποιείται η νομοθεσία της Δανίας. Η σχέση (4) οδηγεί σε επιτρεπόμενο ύψος κύματος 0.41 και 0.40 μέτρα για το μονόγαστρο και το δίγαστρο σκάφος στις ταχύτητες υπηρεσίας τους, αντίστοιχα. Έτσι, με την προϋπόθεση του βαθέως νερού, προκύπτει ότι η παραπάνω νομοθεσία ικανοποιείται σε εγκάρσιες αποστάσεις 2.2 και 1.8 χιλιομέτρων, αντίστοιχα. Φυσικά, η κατάσταση επιδεινώνεται στην περίπτωση που τα πλοία λειτουργούν σε βάθη κοντά στην κρίσιμη τιμή του αριθμού F h, ή μεταβαίνουν κατά την πλεύση τους από την υποκρίσιμη στην υπερκρίσιμη περιοχή ή αντίστροφα. Εφόσον αυτή ή εναλλαγή είναι αναπόφευκτη πρέπει τουλάχιστον να είναι απότομη και όχι σταδιακή, ώστε να αποφεύγεται η δυσμενέστατη παραμονή στην κρίσιμη περιοχή ταχυτήτων. Τέλος, δεδομένου ότι τα διαθέσιμα στη βιβλιογραφία πειραματικά αποτελέσματα για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των αριθμητικών μεθόδων είναι περιορισμένα, συνιστάται η επιβεβαίωσή τους με μετρήσεις σε φυσικό μέγεθος ή με δοκιμές μεγάλων προτύπων υπό κλίμακα στη θάλασσα. ΕΥΧΑΡΙΣΤΗΡΙΟ Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν το πρόγραμμα ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ που συγχρηματοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο (75%) και από Εθνικούς Πόρους (25%) -(ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ), το οποίο χρηματοδότησε εν μέρει την παρούσα εργασία. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Bertram, V. and Hughes, M.J. (1999). Practical predictions of wash using fully non-linear wave resistance codes, Intl. Conf. of High-Performance Marine Vehicles, HIPER 99, Zevenwacht, South Africa. Chalkias, D.S. and Grigoropoulos, G.J. (2005). Wash effects of high-speed monohulls, Intl. Conf. on Fast Sea Transportation, FAST 2005, June, St.Petersburg, Russia Danish Maritime Authority. (1997). Report on the impact of high-speed ferries on the external environment, 22 p. Doctors, L.J. and Day, A.H. (2001). The Generation and Decay of Waves Behind High- Speed Vessels, 16 th IWWWFB, Hiroshima, Japan. Gadd, G. E., (1994) The wash of boats on recreational waterways, Royal Institute of Naval Architects, paper W2, 1994
Grigoropoulos, G.J. and Loukakis, T.A. (2002). Resistance and Seakeeping characteristics of a Systematic Series in the Pre-planing Condition (Part I), Trans. SNAME, Vol. 110, September. Grigoropoulos, G.J. (2004). Recent advances in the hydrodynamic design of fast monohulls, Schiffstechnik Ship Technology Research, 52, 1,pp. 14-33. 24 th I.T.T.C. Resistance Committee. (2005), Edimburgh, Scotland, September. Lyakhovitsky, A., Yun-bo, L., De-bo, H. (2003). The Wash Waves generated by High- Speed Ships Prediction and Directive Influence, Proc. of 7 th Intl. Conf. on Fast Sea Transportation, FAST 2003, Ischia, Italy, October. Maritime and Coastguard Agency (MCA). (2002). A physical study of fast ferry wash characteristics in shallow water, Final Report of Research Project 457 Sclavounos, P.D., 1996, Computation of Wave Ship Interactions, Advances in Marine Hydrodynamics, edited by M. Qhkusu, Computational Mechanics Publications. Sclavounos, P.D., and Nakos, D.E., 1988, Stability Analysis of Panel Methods for Free- Surface Flows with Forward Speed, Proc. of the 17th Symposium on Naval Hydrodynamics, Hague, The Netherlands.