De stijgende brandstofprijzen en de voortdurende inspanningen om de impact op het milieu te minimaliseren, maken het verminderen van het brandstofverbruik tot een van de belangrijkste uitdagingen in de maritieme sector. Simcenter Amesim-modellen kunnen tijdens het ontwerpproces worden gebruikt om aandrijflijnalternatieven te evalueren en tijdens de exploitatie om vaarroutes te vergelijken op basis van verwachte weersomstandigheden.

Figuur 1: Traject van schip van de haven van Hamburg naar New Jersey

Amesim voor maritiem

Dit artikel geeft een voorbeeld van hoe Simcenter Amesim zou kunnen assisteren tijdens operaties. Een vrachtschip staat op het punt de haven van Hamburg te verlaten met als bestemming New Jersey. Bij het plannen van de reis moeten de volgende vragen worden beantwoord:

• Wat is de verwachte aankomsttijd (ETA)?
• Wat is het verwachte brandstofverbruik?
• Hoe worden deze beïnvloed door de weersomstandigheden?

Figuur 2: Simcenter Amesim simulatiemodel. Met het model van de moter en aansturing (links), de schroef, het schip en de omstandigheden op zee (rechts).

Het Amesim model

In Simcenter Amesim is een model van het schip geconstrueerd (Figuur 2). De belangrijkste componenten zijn:

• Tweetakt dieselmotor
  De motorprestaties zijn gebaseerd op door de gebruiker gedefinieerde mappings.
• Schroef ontworpen voor marine toepassing
  In dit model worden de stuwkracht en het koppel berekend met behulp van 2D-tabellen van de Ct (stuwkrachtcoëfficiënt) en Cq (koppelcoëfficiënt) als functie van de spoed/diameter verhouding en de snelheidsgraadhoek, gedefinieerd op 360° (alle vier de kwadranten). Andere opties zijn 2D-tabellen voor het eerste en vierde kwadrant of alleen het eerste kwadrant en het theoretische schroefmodel van de Wageningse B-serie.
  De invloed van de romp op het zog is in deze analyse weggelaten, maar kan worden meegenomen en berekend met de methodes Taylor, Holtrop, Harvald, of door de gebruiker gedefinieerd.
• Scheepsmodel met massa en vaarweerstand
  Het model bepaalt de longitudinale translatiebeweging van een schip en houdt rekening met de massa en de navigatieweerstand als gevolg van de wrijving met het water. De navigatieweerstand wordt berekend op basis van experimentele testgegevens van een scheepsmodel. De empirische formules van de ITTC 78-methodologie worden gebruikt om het resultaat te schalen naar de werkelijke scheepsafmetingen. Andere beschikbare methodes om de navigatieweerstand te bepalen zijn Statistical Barrass, Holtrop en Mennen methode, Savitsky methode, door de gebruiker gedefinieerd als functie van de scheepssnelheid.

Met de wisselende omstandigheden op zee wordt rekening gehouden door twee niveaus van representatieve weersomstandigheden (goed en slecht) toe te passen. Deze niveaus zijn vastgesteld op basis van het gemiddelde weer dat men tijdens de reis kan tegenkomen en zijn opgesplitst in twee extreme niveaus. Figuren 3 en 4 tonen de wisselende omstandigheden.

Figuur 3: basiseigenschappen van zeewater voor goede en slechte weersomstandigheden

Figuur 4: Golf- en windeigenschappen voor goede en slechte weersomstandigheden

Omstandigheden

Er worden drie verschillende snelheidsprofielen opgelegd. Op basis van de twee niveaus van verwachte omstandigheden en drie verschillende kruissnelheden worden in totaal zes simulaties uitgevoerd om de reistijden, het brandstofverbruik en de CO2-emissies te bepalen. Figuur 5 toont de werkelijke snelheid van het schip in vergelijking met de ingestelde snelheid. Voor goede weersomstandigheden volgt de werkelijke snelheid de ingestelde snelheid van 8 en 11 knopen. De werkelijke snelheid volgt echter niet de maximumsnelheid als er meer vermogen gevraagd wordt dan de scheepsmotor kan leveren. Bij slechte weersomstandigheden daalt de werkelijke maximumsnelheid zelfs tot onder 11 en 8 knopen langs de route.

Figuur 5: Ingestelde snelheidsprofielen en werkelijke snelheid

Figuur 6: Uitgeoefende  weerstanden op het schip voor goede (bovenste rij) en slechte weersomstandigheden

De scheepsversnellingen worden berekend door de resulterende kracht op het schip te delen door de massa van het schip. De resulterende kracht is het verschil tussen de totale weerstand en de stuwkracht van de schroef. De op het schip werkende krachten zijn weergegeven in figuur 6.

Voor de zes simulaties zijn de reistijd, het totale brandstofverbruik en de CO2-uitstoot bepaald. Figuur 7 laat zien hoe deze evolueren langs de scheepsvooruitgangspositie. De variërende snelheden in de slechte weersomstandigheden zijn duidelijk zichtbaar in de reistijdgrafiek, aangezien de hellingen niet constant zijn.

Resultaten

De toename van de reistijd en het gemiddelde brandstofverbruik zijn weergegeven in de tabel.

Figuur 7: Gecumuleerde reistijd, brandstofverbruik en CO2-emissies

Weten wat systeemsimulaties voor u kunnen betekenen?

Wij kijken graag samen met u naar hoe systeemsimulaties passend zijn bij de wensen van u en uw bedrijf. Via onderstaand formulier kunt u direct contact met ons opnemen, wij komen dan op korte termijn bij u terug.
Neem contact op