Experimental studies of wind and aerodynamics for wind-powered commercial ships

QC240909

Abstract

Vind som energikälla för kommersiella lastfartyg är på frammarsch. Utvecklingen är delvis driven av nya föreskrifter som siktar att minska växthusgasutsläpp från sjöfartsindustrin, och delvis av aktörer som är villiga att ta ett steg mot det här paradigmskiftet. Olika tekniska lösningar utvecklas parallellt, några med syftet att stötta maskinen med extra vindkraft, och andra som syftar att driva fartyget uteslutande med vindkraft. 

Seglingskonsten är gammal, men att ta steget från en fullriggare eller en "vanlig" segelbåt till ett effektivt kommersiellt fartyg är komplext. Samtliga fysiska fenomen är inte helt utredda idag, i alla fall inte gällande fartyg som avsevärt skiljer sig från de traditionella. Stora fartyg har exempelvis behov av flera samverkande segel (eller vingar) för att få tillräckligt med drivkraft. Interaktionseffekter mellan dessa vingar, placerade nära  varandra är bara delvis utredda och har ännu inte studerats fullt ut. Hur skrovet över vattenytan påverkar flödet runt vingarna är inte heller tillräckligt studerat. Detta delvis eftersom effekten är stor bara för kappseglingsbåtar men marginell för vanliga segelbåtar som också inte har så stora skrov som kommersiella fartyg. Interaktionseffekterna, vinge-vinge och skrovet-vinge är därför en del av den här avhandlingen, där de studeras med olika metoder: numeriskt med friktionsfri strömning i simulering, i vindtunnelförsök samt i segling med en friseglande  nerskalad modell utrustad med en uppsjö sensorer. 

En annan relevant aspekt som studerats är effekten av att dessa fartyg är avsevär högre än existerande segelbåtar, med undantag för några få lyxjakter. Vindförhållanden vid dessa höjder över öppet hav är faktiskt inte helt känd. Varken hur vindhastighet och riktning utvecklas med höjden eller hur vindbyar utvecklas på dessa höjder har sällan studerats i literaturen. Avhandlingen presenterar unika vindmätningar av atmosfärens markgränsskikt över Nordatlanten utförda med vind-lidar monterad på ett kommersiellt fartyg i ordinarie tjänst.  

För att säkerställa att seglande kommersiella fartyg används på ett effektivt och säkert sätt ökar behovet av automatiska styr-/reglersystem samt algoritmer för trimning av vingarna samt hela fartygen. Dessa regleralgoritmer behöver sannolikt hantera, kompensera för, och effektivt utnyttja interaktionseffekter,  instationära vindförhållanden och sjöförhållanden. I den här avhandlingen presenteras resultat från experiment utförda till sjöss i äkta vindförhållanden men en nedskalad 7 m lång modell av ett vinddrivet biltransportfartyg. Resultaten banar bland annat vägen för ökad förståelse för ingående fenomen samt för effektiva reglerlösningar.  

Avhandlingen innehåller alltså en rad olika frågeställningar och metoder med varierande komplexitet och noggrannhet. Diskussionen och resultat visar också hur viktigt det är att i dessa tvärdisciplinära frågeställningar  blanda och kombinera metoder, experimentella och numeriska, med låg och hög noggrannhet för att få svar på frågorna som utvecklingen av seglande lastfartyg kräver svar på.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-352812