ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΘΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ

ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΘΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΕΙΔΙΚΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ & ΑΡΧΙΚΗ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΗ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗ (Ε.Π.Ε.Α.Ε.Κ. II) Μέτρο 2.6 / Ενέργεια 2.6.1 /Πράξεις 2.6.1.ιδ: «Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων σε Θέματα Περιβάλλοντος και Οικολογίας στα ΤΕΙ» ΙΔΡΥΜΑ (Φορέας Υλοποίησης) : ΤΜΗΜΑ: ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟΣ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ: Τ.Ε.Ι. ΑΘΗΝΑΣ ΝΑΥΠΗΓΙΚΗΣ Αν. Καθ. Κ.Α. ΜΠΕΛΙΜΠΑΣΑΚΗΣ ΚΩΔΙΚΟΣ ΥΠΟΕΡΓΟΥ: 8 ΘΕΜΑ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ: Ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης κυματισμών στο θαλάσσιο και παράκτιο περιβάλλον και αξιοποίηση σε θέματα βελτιστοποίησης της ναυπηγικής τεχνολογίας για την αντιμετώπιση προβλημάτων ρύπανσης Προμελέτη δίγαστρου σκάφους περισυλλογής πετρελαιοειδών Σ. ΠΕΡΙΣΣΑΚΗΣ ΑΘΗΝΑ, Ιούλιος 2005 1

Γραμμές, Υδροστατικά και Αντίσταση Εισαγωγή Η μελέτη αυτή εντάσσεται στην προμελέτη του σκάφους CLEANMAG II, και ειδικότερα στην διερεύνηση για την εκλογή των κύριων διαστάσεών του. Στη συγκεκριμένη μελέτη εκπονούνται σχέδιο γραμμών, υδροστατικοί υπολογισμοί και εκτίμηση αντίστασης για ένα τυπικό δίγαστρο σκάφος 32 μέτρων. Στη συνέχεια γίνεται διερεύνηση των υδροστατικών χαρακτηριστικών και της αντίστασης γεωμετρικά όμοιων σκαφών στην περιοχή των 20 έως 32 μέτρων. Για την ανάπτυξη των γραμμών του πατρικού σκάφους και τους υδροστατικούς υπολογισμούς χρησιμοποιήθηκε το πακέτο λογισμικών Autoship. Τα σχέδια έγιναν με το λογισμικό Autocad. Για την εκτίμηση της αντίστασης, το Autoship δεν μπορούσε να εφαρμοστεί στο συγκεκριμένο τύπο σκάφους και χρησιμοποιήθηκαν άλλες εμπειρικές μέθοδοι και συστηματικές σειρές από δημοσιεύσεις. Ανάπτυξη Γραμμών Πατρικού Σκάφους Με χρήση του Autoship (Autoship), αναπτύχτηκαν γραμμές για ένα τυπικό δίγαστρο σκάφος εκτοπίσματος, ολικού μήκους 32 μέτρων. Οι περιορισμοί που θέτονται σε αυτό το στάδιο της προμελέτης είναι οι ελάχιστοι: Ολικό μήκος 32 μέτρα. Η εσωτερική πλευρά της κάθε γάστρας θα πρέπει να είναι επίπεδη και κατακόρυφη για να εξυπηρετήσει επιχειρησιακές ανάγκες του σκάφους και συγκεκριμένα την εγκατάσταση του ιμάντα περισυλλογής. Ελεύθερος χώρος μεταξύ των γαστρών 5 μέτρα. Ολικό πλάτος 11.6 μέτρα. Κατάλληλη διαμόρφωση στην πρύμνη για την φιλοξενία αξονικού συστήματος Το σκάφος σχεδιάστηκε, σύμφωνα με αυτούς τους περιορισμούς, με το λογισμικό Autoship. Σε αυτή τη μελέτη, το τελικό αρχείο με βάση το οποίο έγιναν όλοι οι υπολογισμοί, είναι το CleanMag_with_baseline.pr3. Στο σκάφος αυτό επιλέχτηκε η DWL στα 3 μέτρα, η οποία αναφέρεται σε εκτόπισμα 313 τόνων. Το σχέδιο γραμμών βρίσκεται στο αρχείο CM2 020-01_Lines Plan 32m.dwg. 2

Υδροστατικά Πατρικού σκάφους Τα υδροστατικά του πατρικού σκάφους υπολογίστηκαν με το Autohydro (Autoship). Η περιγραφή του σκάφους για τον υπολογισμό των υδροστατικών βρίσκεται στο αρχείο CleanMag_with_baseline.gf1, το οποίο δημιουργήθηκε αυτόματα από το Autoship (Autoship). Η αυτόματη διαδικασία παραγωγής του αρχείου εισάγει στην περιγραφή του σκάφους κάποια μικρά λάθη. Παρά την μικρή σημασία των λαθών αυτών, η διόρθωση του αρχείου έγινε εύκολα με το Modelmaker (Autoship). Κύριες Διαστάσεις: Length Overall : 32.00 m for every hull @ DWL : LWL : 30.69 m Beam : 11.60 m Beam : 3.3 m BWL : 11.56 m BWL : 3.287 m DWL : 3.00 m Volume : 305.30 m 3 Volume : 152.65 m 3 Displacement : 312.94 tone Displacement : 156.47 tone Waterplane area : 172.90 m 2 Waterplane area : 86.45 m 2 Wetted Surface : 391.60 m 2 Wetted Surface : 195.80 m 2 Midship Section : 14.96 m 2 Midship Section : 7.48 m 2 Prismatic Coefficient : 0.664 Block Coefficient : 0.504 LCB : 0.215a m VCB : 1.916 m LCF : 2.164a m Length/Beam : 2.65 Hull Spacing : 8.30 m Note: Coefficients calculated based on waterline length at given draft 3

Η βασική κατάσταση του σκάφους είναι χωρίς διαγωγή για βύθισμα 3 μέτρων. Βύθισμα Εκτόπισμα LCB VCB LCF TPcm MTcm KML KMT [m] [tone] [m] [m] [m] [tone /cm] [tone / deg] m[m] [m] 0.250 2.766 3.788f 0.170 3.332f 0.23 5.45 112.851 70.176 0.500 11.333 3.029f 0.336 2.436f 0.45 15.28 77.241 41.183 0.750 25.176 2.503f 0.500 1.779f 0.65 27.71 63.066 30.724 1.000 43.676 2.083f 0.661 1.272f 0.82 41.23 54.082 24.958 1.250 66.290 1.732f 0.821 0.837f 0.98 55.87 48.288 21.221 1.500 92.570 1.426f 0.980 0.444f 1.12 71.57 44.294 18.595 1.750 122.129 1.142f 1.137 0.073f 1.24 88.32 41.429 16.675 2.000 154.787 0.876f 1.294 0.282a 1.36 106.40 39.382 15.185 2.250 190.284 0.620f 1.449 0.659a 1.47 126.41 38.059 13.916 2.500 228.390 0.365f 1.604 1.137a 1.57 150.96 37.868 12.897 2.750 269.333 0.083f 1.760 1.894a 1.70 188.18 40.027 12.212 3.000 312.935 0.215a 1.916 2.164a 1.77 207.62 38.009 11.435 3.250 357.688 0.460a 2.067 2.208a 1.80 218.27 34.960 10.632 3.500 403.060 0.654a 2.215 2.187a 1.82 225.98 32.120 9.933 3.750 448.815 0.807a 2.359 2.150a 1.83 232.51 29.679 9.359 4.000 494.821 0.930a 2.500 2.102a 1.85 238.86 27.655 8.897 4.250 541.071 1.028a 2.639 2.053a 1.85 244.99 25.940 8.524 4.500 587.532 1.107a 2.777 2.004a 1.86 251.08 24.482 8.224 5.000 681.004 1.223a 3.048 1.910a 1.88 263.33 22.153 7.787 5.500 775.123 1.302a 3.316 1.826a 1.89 275.95 20.395 7.511 Water Specific Gravity = 1.025 kg/l. 4

Hydrostatic Properties at Trim = 0.00, Heel = 0.00 Long. Location in m 4.0a 3.0a 2.0a 1.0a 0.0a 1.0f 2.0f 3.0f 4.0f LCB m LCF m VCB m Displ.MT WPA / Immersion Mom/Deg Trim KML KMT 5.0 4.0 3.0 2.0 D r a f t @ 0. 0 0 0 a 1.0 VCB m x 1 0.0 1.0 2.0 3.0 Displ.MT x 1000 0.0 0.5 WPA m^2 x 100 0.0 1.0 2.0 MT/cm Imm. x 1 0.0 1.0 2.0 Mom/Deg Trim x 100 0.0 1.0 2.0 3.0 KML x 100 0.0 0.5 1.0 KMT x 10 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 5

Righting Arms vs Heel Angle Heel Angle Trim Angle Origin Depth Righting Arm (deg) (deg) (m) (m) 0.00 0.00 3.000 0.000 5.00s 0.06f 2.981 0.989 10.00s 0.28f 2.915 1.932 15.00s 0.64f 2.798 2.805 20.00s 1.10f 2.619 3.580 25.00s 1.64f 2.367 4.227 30.00s 2.18f 2.030 4.707 35.00s 2.62f 1.609 4.980 40.00s 2.80f 1.116 5.049 40.80s 2.81f 1.034 5.050 45.00s 2.85f 0.602 5.037 50.00s 2.91f 0.095 4.987 55.00s 2.94f -0.402 4.901 60.00s 2.95f -0.883 4.781 6

Righting Arms vs. Heel Heel angle (Degrees) 0.0s 10.0s 20.0s 30.0s 40.0s 50.0s 60.0s Righting Arm Equilibrium GMt 5.0 A r m s 4.0 i n m 3.0 2.0 1.0 0.0 Εκτίμηση Αντίστασης ΓΕΝΙΚΑ Η περίπτωση των δίγαστρων σκαφών, όσο αφορά την εκτίμηση της αντίστασής τους, παρουσιάζει την ιδιαιτερότητα της αλληλεπίδρασης των δύο γαστρών από τις οποίες αποτελείται. Η αλληλεπίδραση αυτή είναι αρκετά πολύπλοκη και εξαρτάται από τη γεωμετρία της κάθε γάστρας, την μεταξύ τους απόσταση και την ταχύτητα του σκάφους. Ανάλογα με την περίπτωση η αλληλεπίδραση μπορεί να είναι θετική ή αρνητική, ενώ υπάρχουν και περιπτώσεις που δεν είναι σημαντική. Υπάρχουν πολλές δημοσιεύσεις, όσο αφορά την αντίσταση των δίγαστρων σκαφών. Αντιπροσωπευτική παρουσίαση του φαινομένου υπάρχει και στο βιβλίο «The Principles of Naval Architecture» της SNAME. Οι διαθέσιμες μέθοδοι εκτίμησης της αντίστασης χωρίζονται σε πειραματικές, αναλυτικές, αριθμητικές και ημι-εμπειρικές. Οι πειραματικές είναι οι περισσότερο αξιόπιστες, αλλά και οι πλέον ακριβές. Οι αναλυτικές και οι αριθμητικές είναι υπό ορισμένες συνθήκες αρκετά αξιόπιστες, αλλά προϋποθέτουν πολύπλοκο λογισμικό και αρκετή υπολογιστική ισχύ. Οι τελευταίες, αν εφαρμοστούν σωστά, είναι οι πλέον κατάλληλες για αρχικές εκτιμήσεις. Υπάρχουν δύο τρόποι προσέγγισης του προβλήματος εκτίμησης της αντίστασης με ημιεμπειρικές μεθόδους. Ο πρώτος τρόπος είναι οι συστηματικές σειρές δίγαστρων σκαφών. Ο δεύτερος τρόπος είναι η μελέτη της αντίστασης της κάθε γάστρας χωριστά και στη συνέχεια η μελέτη της επίδρασης στην αντίσταση της μίας γάστρας από την άλλη. 7

Κατά κανόνα τα γνωστότερα εμπορικά λογισμικά εκτίμησης αντίστασης χρησιμοποιούν την περίπτωση των συστηματικών σειρών μόνο για γρήγορα και λεπτόγραμμα σκάφη. Ειδικά στο Autopower (Autoship) οι υπολογισμοί βασίζονται στα πειράματα της Marintek (Norway). Στην περίπτωση αυτή, μάλιστα, ο συσχετισμός των πειραμάτων στα πρότυπα με την αντίσταση σε πλήρη κλίμακα βασίζεται σε εκτεταμένα πειράματα σε πλήρη κλίμακα. Συχνά πάντως δεν υπάρχουν κατάλληλες συστηματικές σειρές για την εκτίμηση της αντίστασης. Στην περίπτωση αυτή, γίνεται εκτίμηση για τη μία μόνο γάστρα σύμφωνα με τις διαθέσιμες μεθόδους για μονόγαστρα σκάφη. Επειδή όμως η συνολική αντίσταση του δίγαστρου σκάφους δεν είναι απλώς το διπλάσιο αυτής, θα πρέπει να υπολογιστεί και η διαφορά στην αντίσταση από την παρουσία της δεύτερης γάστρας. Η αλληλεπίδραση των δύο γαστρών στην αντίσταση χωρίζεται σε δύο μέρη: Το πρώτο μέρος αφορά τα συνεκτικά φαινόμενα και την μεταβολή της αντίσταση λόγω τριβής (Frictional Drag). Διάφορα φαινόμενα επηρεάζουν αυτή τη συνιστώσα της αντίστασης. Για παράδειγμα το φαινόμενο Blockage Effect, αυξάνει την τοπική ταχύτητα του νερού μεταξύ των γαστρών. Επίσης λόγω της μη συμμετρικής κατάστασης γύρω από κάθε γάστρα, παρουσιάζεται ροή μεταξύ των δύο πλευρών της γάστρας (crossflow) και διαφορά στη βρεχόμενη επιφάνεια της εξωτερικής και εσωτερικής πλευράς. Ακόμα, η όλη μεταβολή του πεδίου ροής μεταβάλει το δυναμικό σημείο ισορροπίας του σκάφους, δηλαδή το βύθισμα και τη διαγωγή του, σε σχέση με την ταχύτητα. Το δεύτερο μέρος αφορά τη δημιουργία κυματισμών και την σχετική συνιστώσα της αντίστασης. Λόγω της μεταβολής του τοπικού πεδίου ταχυτήτων, αλλάζει και το τοπικό πεδίο πιέσεων με συνέπεια να αλλάζει το σύστημα δημιουργίας κυματισμών. Δεν πρέπει επίσης να αμεληθεί και η αλληλεπίδραση με το δευτερεύον σύστημα κυματισμών που δημιουργείται λόγω των ανακλάσεων μεταξύ των γαστρών. Η μεθοδολογία που συνήθως ακολουθείται για τον υπολογισμό της αλληλεπίδρασης των δύο γαστρών στηρίζεται στην εισαγωγή δύο συντελεστών αλληλεπίδρασης στη μέθοδο Huges, ως εξής: C T =(1+ β k)c F + τ C W C T = συντελεστής ολικής αντίστασης C F = συντελεστής αντίστασης τριβής C W = συντελεστής αντίστασης λόγω δημιουργίας κυματισμών β = συντελεστής αλληλεπίδρασης συνεκτικότητας τ = συντελεστής αλληλεπίδρασης συστήματος κυματισμών k = form factor ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Το λογισμικό Autopower (Autoship) μπορεί να εκτιμήσει την αντίσταση ενός δίγαστρου σκάφους μόνο με τη μέθοδο Marintek Fastcat. Η μέθοδος αυτή αναφέρεται σε ελαφριά λεπτόγραμμα ταχέα καταμαράν και δεν είναι κατάλληλη για το σκάφος της συγκεκριμένης μελέτης. Συγκεκριμένα το υπό μελέτη σκάφος είναι πολύ βαρύ για την εφαρμογή της μεθόδου. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε τελικά βασίζεται στον υπολογισμό των δύο συντελεστών αλληλεπίδρασης β και τ. Για τον υπολογισμό της αντίστασης της κάθε γάστρας χωριστά διερευνήθηκαν διάφορες μέθοδοι και οι πλέον κατάλληλες ήταν οι Holtrop1984, Simple Displacement, DeGroot και HSTS. Περισσότερες πληροφορίες για τις μεθόδους αυτές βρίσκονται στα παραρτήματα. Το διάγραμμα που ακολουθεί δείχνει την ισχύ ρυμούλκησης της γυμνής γάστρας χωρίς παρελκόμενα σε σχέση με τον αριθμό Fr. Ακολουθεί επίσης και ένας πίνακας στον οποίο φαίνεται η αντιστοιχία του αριθμού Fr, με την ταχύτητα του σκάφους σε Kn. Στο συγκριτικό διάγραμμα φαίνεται ότι μέχρι τον αριθμό Froude 0.4 οι διάφορες μέθοδοι δίνουν κοντινά αποτελέσματα, ενώ στη συνέχεια αρχίζουν να αποκλίνουν. Αυτό συμβαίνει γιατί οι γραμμές του σκάφους δεν είναι κατάλληλες για ολίσθηση και συνεπώς μετά το 0.4 αρχίζουν να εμφανίζονται δυναμικά φαινόμενα. Επίσης οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν αναφέρονται σε ποικιλία τύπου γαστρών, γεγονός που σημαίνει ότι σε μεγάλες ταχύτητες (Fr>0.45) αναφέρονται σε κατάλληλες γάστρες. Ο τύπος της γάστρας που εξετάζουμε εδώ δεν αναμένεται να έχει καλή 8

συμπεριφορά σε μεγάλες ταχύτητες. Συνεπώς δεν πρέπει να έχουμε μεγάλη εμπιστοσύνη στις προβλέψεις των μεθόδων για τις μεγάλες ταχύτητες. Στο επόμενο στάδιο της σχεδίασης, και με τη βοήθεια της παρούσας μελέτης, θα πρέπει να καθοριστούν με μεγαλύτερη ακρίβεια το μήκος, το απαιτούμενο εκτόπισμα και η επιθυμητή ταχύτητα υπηρεσίας. Με αυτά τα στοιχεία θα πρέπει να γίνουν κατάλληλες παρεμβάσεις στις γραμμές της γάστρας για να επιτευχθεί η βέλτιστη δυνατή σχεδίαση και να γίνει ακόμα πιο ακριβής η πρόβλεψη της αντίστασης. V [Kn] 2 6 10 12 13 14 15 16 Fr 0.059 0.178 0.297 0.356 0.385 0.415 0.445 0.474 9

Διερεύνηση Όμοιων Σκαφών Για τη διερεύνηση του βέλτιστου μεγέθους επαναλήφτηκαν οι διαδικασίες για 3 ακόμα όμοια σκάφη: 20, 24 και 28 μέτρα ολικού μήκους, με λόγο ομοιότητας 0.625, 0.75 και 0.875 αντίστοιχα. Στα παραρτήματα φαίνονται τα συγκριτικά σχέδια γραμμών για όλα τα όμοια σκάφη. Επίσης δίνονται οι κύριες διαστάσεις και τα υδροστατικά, όπως υπολογίστηκαν από το AutoHydro (Autoship) για κάθε ένα από αυτά τα σκάφη. Κύριες διαστάσεις σκάφους 28 μέτρων: Length Overall : 28.00 m for every hull @ DWL : LWL : 26.85 m Beam : 10.15 m Beam : 2.89 m BWL : 10.12 m BWL : 2.88 m DWL : 2.63 m Volume : 204.53 m 3 Volume : 102.26 m 3 Displacement : 209.65 tone Displacement : 104.82 tone Waterplane area : 132.38 m 2 Waterplane area : 66.19 m 2 Wetted Surface : 299.82 m 2 Wetted Surface : 149.91 m 2 Midship Section : 11.45 m 2 Midship Section : 5.73 m 2 Prismatic Coefficient : 0.664 Block Coefficient : 0.504 LCB : 0.19a m VCB : 1.68 m LCF : 1.89a m Length/Beam : 2.65 Hull Spacing : 7.26 m Note: Coefficients calculated based on waterline length at given draft 10

Κύριες διαστάσεις σκάφους 24 μέτρων: Length Overall : 24.00 m for every hull @ DWL : LWL : 23.02 m Beam : 8.70 m Beam : 2.48 m BWL : 8.67 m BWL : 2.47 m DWL : 2.25 m Volume : 128.80 m 3 Volume : 64.40 m 3 Displacement : 132.02 tone Displacement : 66.01 tone Waterplane area : 97.26 m 2 Waterplane area : 48.63 m 2 Wetted Surface : 220.28 m 2 Wetted Surface : 110.14 m 2 Midship Section : 8.42 m 2 Midship Section : 4.21 m 2 Prismatic Coefficient : 0.664 Block Coefficient : 0.504 LCB : 0.16a m VCB : 1.44 m LCF : 1.62a m Length/Beam : 2.65 Hull Spacing : 6.23 m Note: Coefficients calculated based on waterline length at given draft 11

Κύριες διαστάσεις σκάφους 20 μέτρων: Length Overall : 20.00 m for every hull @ DWL : LWL : 19.18 m Beam : 7.25 m Beam : 2.06 m BWL : 7.23 m BWL : 2.05 m DWL : 1.88 m Volume : 74.54 m 3 Volume : 37.27 m 3 Displacement : 76.40 tone Displacement : 38.20 tone Waterplane area : 67.54 m 2 Waterplane area : 33.77 m 2 Wetted Surface : 152.97 m 2 Wetted Surface : 76.48 m 2 Midship Section : 5.84 m 2 Midship Section : 2.92 m 2 Prismatic Coefficient : 0.664 Block Coefficient : 0.504 LCB : 0.13 m VCB : 1.20 m LCF : 1.35 m Length/Beam : 2.65 Hull Spacing : 5.19 m Note: Coefficients calculated based on waterline length at given draft 12

Όσο αφορά τις εκτιμήσεις αντίστασης για τα διάφορα σκάφη, θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι υπολογισμοί έγιναν μέχρι τον αριθμό Froude 0.5, δεδομένου ότι μιλάμε για γάστρα εκτοπίσματος. Για τη σύγκριση των όμοιων σκαφών, όσο αφορά την αντίσταση επιλέχτηκαν ενδεικτικά οι μέθοδοι Holtrop1984 και HSTS. Στη συνέχεια δίνονται δύο διαγράμματα για κάθε μέθοδο με την απαιτούμενη ισχύ ρυμουλκήσεως, το ένα με άξονα τον αριθμό Froude και το άλλο με άξονα την ταχύτητα. 1400 1200 main_holtrop1984.nc5 main_28_holtrop1984.nc5 main_24_holtrop1984.nc5 main_20_holtrop1984.nc5 1000 PEbare hp 800 600 400 200 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Fn 13

1400 1200 main_holtrop1984.nc5 main_28_holtrop1984.nc5 main_24_holtrop1984.nc5 main_20_holtrop1984.nc5 1000 PEbare hp 800 600 400 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Vel kts 14

2500 2000 main_hsts.nc5 main_28_hsts.nc5 main_24_hsts.nc5 main_20_hsts.nc5 PEbare hp 1500 1000 500 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Fn 15

2500 2000 main_hsts.nc5 main_28_hsts.nc5 main_24_hsts.nc5 main_20_hsts.nc5 PEbare hp 1500 1000 500 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Vel kts 16