Υπολογιστική μελέτη αντίστασης και αυτοπρόωσης δεξαμενόπλοιου - Παντελεάκος, Ηλίας (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής, 2017)
Υπολογιστική μελέτη αντίστασης και αυτοπρόωσης δεξαμενόπλοιου 118000 DWT. Η προσομοίωση της ροής γύρω από ένα αυτοπροωθούμενο πλοίο είναι ένα από τα δυσκολότερα προβλήματα που καλείται να αντιμετωπίσει η επιστήμη του Ναυπηγού Μηχανικού. Στην ιδιαίτερη δυσκολία επίλυσης του προβλήματος συμβάλουν αφενός η ύπαρξη της ελεύθερης επιφάνειας, αφετέρου η ελεύθερη κίνηση του πλοίου και τέλος η μεταβολή των στερεών συνόρων καθώς η έλικα αλλάζει συνεχώς θέση σε σχέση με το πλοίο και την ελεύθερη επιφάνεια συναρτήσει του χρόνου. Στο πλαίσιο της επιστήμης της Ναυπηγικής διεξάγονται πειράματα με υπό κλίμακα μοντέλα του πλοίου που στόχο έχουν στο πλαίσιο της διαδικασίας σχεδίασης ενός πλοίου να προσεγγίσουν την αντίσταση που θα δέχεται το αυτοπροωθούμενο πλοίο και την εκτίμηση της απαιτούμενης ισχύος της προωστήριας εγκατάστασης. Τα πειράματα αυτά διεξάγονται μέσω της ευρηματικής διάσπασης του αυτοπροωθούμενου πλοίου στο ρυμολκούμενο και στην έλικα σε ελεύθερη ροή όση ο πραγματικός ομόρους του πλοίου. Σε αυτή τη διαδικασία τίθεται ως παραδοχή η εξίσωση του συντελεστή ώσης και ροπής της έλικας καθώς και εκείνη του συντελεστή προχώρησης μεταξύ μοντέλου και πλοίου. Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τους αριθμητικούς υπολογισμούς για τις παραμέτρους αντίστασης και αυτοπρόωσης για ένα δεξαμενόπλοιο 119000 DWT μέσω εργαλείων CFD (Computational Fluid Dynamics) που αναπτύχθηκαν από τον τομέα ναυτικής και θαλάσσιας υδροδυναμικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για την πραγματική κλίμακα και την κλίμακα μοντέλου. Το υπό μελέτη πλοίο, οι βασικές διαστάσεις, οι γραμμές της γάστρας του και τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά του είναι προϊόν μελέτης για τις ανάγκες του μαθήματος « Θέμα μελέτης πλοίου». Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία προετοιμασίας της γεωμετρικής αναπαράστασης της γάστρας του πλοίου ώστε να αποκτήσουμε σε κατάλληλη μορφή τις συντεταγμένες της γάστρας του πλοίου σε σχέση με τον κώδικα. Στο πλαίσιο αυτής της διαδικασίας χρησιμοποιήθηκαν, το πρόγραμμα «Aveva Marine Lines» για τη σχεδίαση και την εξομάλυνση των γραμμών του πλοίου, το πρόγραμμα «Rhinoceros 5» για τη δημιουργία της τρισδιάστατης επιφάνειας του πλοίου ώστε να εξάγουμε τις συντεταγμένες των σημείων τους σε μορφή τέτοια ώστε να μπορεί να ταξινομηθεί από το πρόγραμμα «sorting» και να είναι αναγνώσιμες από τους κώδικες που έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται για τους υπολογισμούς της μεθόδου. 4 Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται το θεωρητικό υπόβαθρο του σύμμορφου μετασχηματισμού, που είναι το εργαλείο της σύμμορφης απεικόνισης των διδάστατων νομέων του πλοίου σε μοναδιαίο κύκλο. Επίσης παρουσιάζεται η διαδικασία παρεμβολής των νομέων ώστε να έχουμε πιο αναλυτική γεωμετρική αναπαράσταση της γάστρας του πλοίου με μικρότερο υπολογιστικό κόστος. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία υπολογισμού της ελεύθερης επιφάνειας μέσω της θεωρίας δυναμικού. Αρχικά γίνεται μία εισαγωγή στη θεωρία δυναμικού, παρουσιάζονται οι εξισώσεις και οι οριακές συνθήκες που τη διέπουν καθώς και η κατασκευή του αριθμητικού πλέγματος πάνω στο οποίο επιλύεται η δυναμική ροή και διεξάγεται η επαναληπτική διαδικασία υπολογισμού της ελεύθερης επιφάνειας. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η αριθμητική μέθοδος προσομοίωσης της τυρβώδους ροής γύρω από το πλοίο. Αρχικά περιγράφεται το αριθμητικό πλέγμα με τις οριακές συνθήκες που επιβάλλονται ώστε να επιλυθούν οι εξισώσεις RANS κάτω από την ελεύθερη επιφάνεια που υπολογίστηκε από το προηγούμενο βήμα της μεθόδου. Στην περιγραφή της αριθμητικής μεθόδου δίνεται η μαθηματική μορφή των εξισώσεων RANS, του τανυστή τάσεων, του μοντέλου τύρβης και το βασικό θεωρητικό υπόβαθρο για την περιοχή του οριακού στρώματος. Επίσης περιγράφεται ο αλγόριθμος SIMPLE που επιστρατεύεται για την επίλυση του πεδίου της ροής, ενώ τέλος παρουσιάζεται ο μαθηματικός τρόπος υπολογισμού της αντίστασης τριβής και της αντίστασης πίεσης που χρησιμοποιεί ο κώδικας για τον υπολογισμό των παραμέτρων αντίστασης του ρυμουλκούμενου πλοίου. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσομοίωση της έλικας μέσω του δίσκου ορμής και η εισαγωγή του στις αλγεβρικές εξισώσεις ορμής. Επίσης περιγράφεται η θεωρία φέρουσας γραμμής μέσω της οποίας υπολογίζεται η κυκλοφορία πάνω στο δίσκο ορμής ώστε να σχεδιαστεί η βέλτιστη έλικα και να γίνουν οι υπολογισμοί αυτοπρόωσης για το πλοίο και το μοντέλο. Στο έκτο κεφαλαίο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μεθόδου για το σύμμορφο μετασχηματισμό, τον υπολογισμό της ελεύθερης επιφάνειας και τις παραμέτρους αντίστασης και αυτοπρόωσης. Επίσης γίνεται σχολιασμός των αποτελεσμάτων και διατυπώνονται τα βασικά συμπεράσματα από τη μέθοδο.