| dc.description.abstract | I 2018 annonserte FNs Sjøfartsorganisasjon et mål om å redusere utslipp av drivhusgasser med minst 50% fra 2008 til 2050. For å oppnå dette, er det avgjørende at industrien tar i bruk grønnere propulsjonssystemer. Mens det meste av dagens publiserte forskning er relatert til potensialet for å redusere drivstofforbruk, fokuserer denne avhandlingen på sjøegenskapene til et vindassistert skip. Målet er å gi en forståelse av hvordan sjøegenskapene til et skip påvirkes av seil, ved å inkludere dynamiske effekter fra skipsbevegelser på seilsystemet.
Dette arbeidet inkluderer to ulike seilsystemer, nemlig Flettner rotor og stivt vingeseil. En aerodynamisk seildempingsmodell er laget i Python ved å anta lineær demping og to frihetsgrader. De dynamiske vindforholdene som påvirker seilene fanges ved å inkludere skipets rull- og stampbevegelser i modellen. Flettner rotoren er modellert ved å benytte empiriske formler fra fullskala målinger ombord på et skip med én rotor. Vingeseilmodellen antar lineær foilteori og benytter en løftlinjetilnærming for å beregne krefter og resulterende demping. Dynamiske løfteffekter som følge av oscillerende bevegelse er sett bort fra i denne innledende studien. Selv om det er antydet at den aerodynamiske modellen kan over- eller underestimere dempingen, er den verifisert til å gi pålitelige resultater med hensyn på en varierende innfallsvinkel av sann vind.
Ved å anta uavhengige seil- og skipssystemer, kan den aerodynamiske dempingsmodellen superponeres med det hydrodynamiske systemet til et skipsskrog for å oppnå en vindassistert skipsmodell. Skipsmodellen som er brukt i dette arbeidet er et 190 m langt bulkskip. Interaksjonseffekter er sett bort fra, både mellom skip og seil, samt mellom flere seil. Beregningene av skipsbevegelsene med seil er utført ved hjelp av ShipX Veres, som antar lineær bølgeteori og stripeteori. Videre antar programmet et symmetrisk strømningsbilde, slik at skipets avdriftsvinkel er neglisjert. For å begrense antall variabler i studien antas det at vind- og bølgeretning er sammenfallende, skipets hastighet er 12,5 kn og vindhastigheten er 10 m/s. Videre er avdriftsvinkelen antatt konstant lik 5 grader i den aerodynamiske dempingsmodellen. Seilenes betydning i et propulsjonsperspektiv er estimert ved forholdet mellom seilenes fremdriftskraft og skipets totale motstand, inkludert tilleggsmotstanden som følge av bølger og avdriftsvinkel.
Resultatet av den vindassisterte skipsmodellen med Flettner rotorer indikerer at å inkludere kun én frihetsgrad ville vært tilstrekkelig. De hydrodynamiske koeffisientene dominerer i stamp og skipets stampebevegelse er tilstrekkelig liten til at koblingsleddet i rull kan neglisjeres. Stampeffektene fra seilene er derfor neglisjerbare, selv om fire Flettner rotorer med et rotasjonsforhold (eng: spin ratio) på 4 estimeres til å gi nok fremdrift til at skipet er fullstendig vinddrevet. Videre er det anslått at den lineære dempingsmodellen er en rimelig antakelse i lineær bølgeteori og skipsbevegelse. Best kompatibilitet er observert i motvind eller med kurs høyt mot vinden, hvor seildempingen er mest fremtredende. Den lineære dempingsmodellen er ikke aktuell dersom vingeseilene steiler, slik at seilkraften er ikke-harmonisk.
Generelt sett skapes seildempingen av variasjoner i både vindhastighet og innfallsvinkel. Den dominerende dempingsmekanismen for hvert seilsystem er identifisert. Ettersom betydelige resultater kun ble observert i rull, kan en konkludere med at den utnyttbare vingeseildempingen hovedsakelig kommer av løft, selv om drag bidrar i sidevind. Den utnyttbare Flettner rotor dempingen skapes hovedsakelig av drag, selv om løft bidrar når skipet seiler med kurs høyt mot vinden. Videre er vingeseildemping relativt lite sensitiv mot angrepsvinkelen, mens dempingen fra en Flettner rotor er høyst avhengig av rotasjonsforholdet. Resultatene viser indikasjoner på at såkalt frivillig fartstap kan være fordelaktig i visse situasjoner for å øke dempingen. Dette er dog bare undersøkt i det isolerte aerodynamiske seilsystemet.
Ved å sammenligne det vindassisterte skipet med det originalt kun mekanisk drevne skipet er den største rullreduksjonen observert ved vind med små innfallsvinkler. Signifikant rullreduksjon er likevel observert i sidevind og sidebølger, spesielt for skipet med Flettner rotorer. Dette antyder at behovet for andre klassiske rullreduserende innretninger kan elimineres dersom skipet utstyres med seil. For å øke dempingsfordelene bør vingeseil konstrueres med løftpromoterende innretninger som forsinker steiling.
På grunn av antakelsen om en konstant og liten avdriftsvinkel, bør resultatene av dette arbeidet ikke overføres til situasjoner med en stor avdriftsvinkel uten først å undersøke vinkelens effekt på skipsbevegelser. Dynamisk løft er anslått å være av betydning og bør inkluderes i fremtidige studier. Avslutningsvis er det av interesse å utvide analysen til å inkludere interaksjonseffekter mellom seil, for å studere potensialet for å øke dempingen ved å optimalisere seilkonfigurasjonen. Dette krever imidlertid mer avanserte og nøyaktige beregningsmetoder enn hva som er benyttet i dette arbeidet. | |
| dc.description.abstract | In 2018, the International Maritime Organization announced a goal to reduce greenhouse gas emissions by at least 50% from 2008 to 2050. To achieve this objective, it is imperative that the industry adapts to greener propulsion systems. While most of the published research is related to the potential of fuel savings, this thesis aims to study the seakeeping capabilities of a wind assisted ship. By including the dynamic effects of ship motion on the sail system, the purpose is to provide an understanding of how a ship's seakeeping is affected by the introduction of sails.
This work includes two sail systems, the Flettner rotor and rigid wingsail. An aerodynamic sail damping model is created in Python, which assumes linear damping and two degrees of freedom. By including the roll and pitch rigid body motions, the dynamic wind conditions affecting the sails are captured. The Flettner rotor is modelled using empirical expressions from full scale measurements onboard a ship with a single Flettner rotor. The wingsail model assumes linear foil theory and uses a lifting line approach to calculate forces and resulting damping. Dynamic lift effects due to oscillatory motion are disregarded in this preliminary study. Although the aerodynamic model may overestimate or underestimate damping, depending on the degree of freedom, it is verified to provide reliable results across a selected range of true wind angles.
Assuming independent sail and vessel systems, the aerodynamic damping model is superposed with the hydrodynamic system of a ship hull, to obtain a wind assisted ship model. The ship model studied in this work is a 190 m long bulk carrier. Interaction effects between the hull and sail and between several sails are disregarded. Applying linear wave theory and strip theory, the vessel response with sails is calculated using ShipX Veres. The calculation tool assumes a symmetric flow, such that the ship drift angle is neglected. To limit the number of variables in the study, it is assumed that the the wind and incident waves are aligned, that the ship velocity is 12.5 kn, and the wind velocity is 10 m/s. Furthermore, the ship drift angle is assumed constant and equal to 5 degrees in the aerodynamic damping model. The relevance of the sails in the context of propulsion is estimated using the ratio of sail thrust force to total ship resistance, including added resistance due to waves and ship drift.
The results of the wind assisted ship model with Flettner rotors indicates that a single degree of freedom model in roll would be sufficient. The hydrodynamic coefficients dominate in pitch, and the vessel pitch motion is small enough that the coupling term in roll can be neglected. Thus, the pitch motion effects of the sails are negligible, even though four Flettner rotors at a spin ratio of 4 are estimated to provide sufficient thrust for the ship to be entirely wind driven. Furthermore, it is thought that the linear damping model is a reasonable approximation within linear wave theory and ship motion. Best compatibility is observed in head wind or small apparent wind angles, where the damping is most pronounced. The linear damping model is invalidated if the wingsails stall, generating non-harmonic sail forces.
In general, sail damping is caused by variations in both wind velocity and wind angle. The dominant damping mechanism of each sail system is identified. As significant results were only observed in roll motion, it is concluded that exploitable wingsail damping is mainly caused by lift, although drag contributes in beam wind conditions. The exploitable Flettner rotor damping is mainly caused by drag, although lift contributes during close hauled sailing. Furthermore, the damping generation of wingsails is relatively insensitive to the angle of attack, while the Flettner rotor damping is highly dependent on the spin ratio. Although it is only investigated in the isolated aerodynamic sail system, there are indications that voluntary speed loss may be beneficial in certain conditions, to obtain higher aerodynamic damping.
Comparing the wind assisted vessel with the original mechanically propelled ship, the largest roll reduction is observed in close hauled sailing. However, significant roll reduction is observed in beam wind and waves, especially for the ship fitted with Flettner rotors. This suggests that the introduction of sails might remove the need for other roll reducing devices commonly used today. To further enhance the damping benefits, wingsails should be constructed with high-lift devices that delay stalling.
Due to the assumption of a small constant drift angle, the results of this work should not be applied to sailing conditions with large drift angles, without further investigation into the effects of drift angle on ship motions. Dynamic lift is thought to be of significance and should be included in future research. Finally, extending the analysis to consider interaction effects between the sails is of interest given the potential of damping enhancement by optimising the sail configuration. This requires more advanced and accurate calculation methods than the ones applied in this work. | |
