高度なシミュレーションがバラスト水の解決に役立ちます

Oct 21, 2023

Tobias Zorn、Jan Kaufmann、FutureShip、Milovan Peric、CD-adapco 2013 年 2 月 13 日

バラスト水の管理は船舶の設計と運航に問題を引き起こします。 数値流体力学 (CFD) は、設計、型式承認、トラブルシューティングを伴うソリューションを提供します。

数値流体力学 (CFD) は、流体の流れの物理学を記述する方程式を解くための技術を総称して指します。 CFD は現在では海事業界で広く知られ、受け入れられていますが、主に、燃料効率の高い船舶の設計など、船体やプロペラの周りの流れに関連しています。 ただし、CFD は多くの点で従来のモデル テストよりもはるかに多用途です。 同じソフトウェアを、内部フローの問題を含むさまざまなフローに適用できます。 CFD の主な利点は、フローの詳細を洞察できることです。 流量は空間内の多くの離散的な位置 (計算セル) で、多くの時間ステップにわたって計算 (および保存) されるため、後処理で任意の断面を確認し、自由にズームインおよびズームアウトすることが簡単にできます。 バラスト水管理システムは、外来種の拡散を抑制するためのバラスト水管理への移行を促進する最近の IMO 規制により、船舶運航者の間で注目を集めています。 しかし、新しい規制の特殊性とは別に、バラスト水の取り扱いは、CFD シミュレーションの利点が活かされる船舶運航者にとって課題となる可能性があります。 次のケーススタディは、業界の経験から得られた問題と解決策を示しています。

事例 1: CFD に基づく型式承認船舶のバラスト水には、外国の海域に頻繁に定着する植物や動物が含まれており、先住民の水生環境に危険をもたらし、生態学的、健康関連、経済的に大きな被害を引き起こす可能性があります。 船舶交通量の増加により、この脅威は大幅に増加しています。 IMO「船舶のバラスト水と堆積物の制御と管理に関する国際条約」では、バラスト水管理計画が義務付けられています。 2016 年から、すべての船舶はバラスト水管理をバラスト水処理に基づいて行う必要があります。 この処理が化学的アプローチに基づいている場合、均一な濃度の殺生剤を達成するには、化学成分とバラスト水の迅速かつ効果的な混合が不可欠です。 新しいシステムの型式承認には、シミュレーションが貴重なツールとなる可能性があります。 あるケースでは、FutureShip はバラスト作業中のパイプ内での塩素とバラスト水の混合をシミュレートしました。 CFD シミュレーションを使用して、均一な混合を確保するために必要な混合ゾーンのパイプ長さを決定しました。 シミュレーションにより、初期設計での混合が非効率であることがわかりました。 非常にシンプルでコスト効率の高い入口形状の変更により、乱流レベルが大幅に増加し、完全な混合に必要なパイプの長さが大幅に短縮されました。 図 1 は、そのようなシミュレーションの 1 つから得られた、混合パイプ内の計算流線と塩素濃度を示しています。 当局はシミュレーションを型式承認のための技術的証拠として受け入れました。ケーススタディ 2: バラスト水堆積物バラスト水タンクには堆積物が溜まりやすい。 これらは載貨重量 (ペイロード) を減らし、水の流れを制限してバラスト除去を遅らせ、喫水を増加させて燃料消費量を増加させます。 ケープサイズのばら積み貨物船の場合、船主は堆積物の蓄積を減らしたいと考え、バラストタンク内の堆積物の沈殿を最小限に抑えるための詳細な分析と再設計の提案をFutureShipに依頼しました。 この場合、実際の堆積物はモデル化されていません。 代わりに、工学的な洞察によりシミュレーションが容易になります。 堆積物は、通常、再循環や流れの停滞の領域で見られるように、水流の速度が遅い領域に沈降します。 これらは一般に死水領域と呼ばれます。 図 2 は、実際のバラスト水タンク内の堆積物を示しています。 バラストタンク内の流れの二相 (水と空気) シミュレーションにより、最初に、元の設計で観察された堆積物の蓄積に対応する死水領域が特定されました。 図 3 は、計算された底壁付近の速度分布を示しています。 次に、バラスト水タンクのさまざまな設計の代替案として、補強材の間隔とカットアウトのバリエーションが検討されました。 シミュレーションにより、将来のばら積み貨物船の発注に向けて、堆積物の沈降が最も少ない（つまり、死水領域が最も小さい）代替設計が特定されました。ケーススタディ 3: バラスト水のデバラストラテンアメリカの混雑した石炭ターミナルでは、埠頭でばら積み貨物船のバラストを降ろすために厳しい時間制限を設けていました。 バラストポンプはバラスト除去中に空気を取り込んでいたため、乗組員はバラスト除去を断続的に停止せざるを得ませんでした。 その結果、端末から指定された時間内に船舶のバラストを除去することができませんでした。 船舶はタンク内にまだ3000トンのバラスト水を残したまま出航しなければならなかった。 その結果、2,600 トンの貨物を積み込むことができず、125,000 ユーロの損害賠償請求が発生し、船舶はターミナルのブラックリストに登録されました。多くの場合、詳細な分析がトラブルシューティングの最初のステップとなります。 問題が明確になったら、解決策は簡単です。 したがって、この場合、最初のステップは、バラスト水タンクの 3 次元モデルをセットアップし、吸引パイプの出口での所定の流量でポンプを模倣することにより、デバラストプロセスをシミュレートすることでした。 流出量は最大ポンプ容量に設定されました。 二相流のシミュレーションにより、隣接する田んぼの水位が、デバラスト中のバラストポンプ取水口のある田んぼよりもはるかに高いことが明らかになりました。 図 4 は、タンクのさまざまなセクションの不均一な水位を示しています。 縦フレームの水流開口部のサイズは、ポンプのデバラスト速度に対して小さすぎました。 シミュレーションでは、各開口部を通過する時間依存の流量に関する情報が得られ、ポンプによる空気の吸引が開始される時間を予測します。 さまざまな断面における自由表面の動きと速度分布のアニメーションにより、エンジニアは流れの物理学を直接洞察することができ、問題の容易な評価が可能になり、必要な幾何学的修正の設計に役立ちます。 シミュレーション データの分析に基づいて、開口部を通る流束をポンプ吸入流束と同期させるために、ポンプ付近のフレームの水流開口部をより多く、より大きくすることが提案されました。 ポンプへの流入量がポンプ流量を超えるように、水流開口部のサイズと位置を決定することで、ポンプが空気を吸うリスクを回避できます。結論 CFD シミュレーションは、バラスト水管理システムの設計と運用をサポートする多用途かつ強力なツールであることが証明されています。 高度な計算ソフトウェアと専門ユーザーの組み合わせにより、詳細な洞察と信頼できる答えが得られます。

謝辞著者らは、同僚の Volker Bertram 氏と Jan Rüde 氏のご支援とご協力に感謝いたします。CFD法シミュレーションには CD-adapco の CFD ソフトウェア STAR-CCM+ を使用しました。 このソフトウェアは、結果として生じる渦の形成と乱流混合を伴う乱流、および解決された液体-気体界面を持つ複数の流体をシミュレートすることができます。 したがって、ここで説明されているように、バラスト水の流れの解析に重要な物理学をすべて捉えることができます。 この解法は、適切な初期条件と境界条件を備えた積分形式の保存方程式に基づいています。 ソリューション ドメインは、任意の多面体形状の有限数の制御ボリュームに再分割され、通常、流量変数の急速な変化の領域で局所的に調整されます。 対象の時間間隔も、適切なサイズの時間ステップに再分割されます。 支配方程式には、時間と空間の導関数だけでなく、表面積分と体積積分も含まれます。 これらは、適切な有限近似を使用して制御量と時間レベルごとに近似され、マルチプロセッサ コンピュータで効率的に解くことができる代数方程式系につながります。流れは、レイノルズ平均ナビエ ストークス方程式によって支配されると想定されます。 乱流の影響は、最も単純な渦粘性モデル (通常は k- または k- モデルが使用されます) からレイノルズ応力モデルまで、さまざまなモデルで説明できます。 したがって、連続方程式、運動量方程式、および乱流特性に関する 2 ～ 7 つの方程式が解決されます。 小規模な乱流のみをモデル化し、大規模な渦を解析する大規模渦シミュレーションも可能です。多相、多成分系 (ここに示すアプリケーションでは水-空気または水-塩素) もシミュレーションできます。 。 相 (液体と気体) の空間分布は、追加の各相の体積分率について追加の輸送方程式を解くことによって取得されます。 不混和流体の対流輸送を正確にシミュレートするには、離散化に数値拡散がほとんど含まれない必要があります。 この目的のために、特別な高解像度界面捕捉 (HRIC) スキームが使用され、自由表面の鮮明な解像度が提供され、液体内に閉じ込められた気泡や気体内の液体塊を含む流れのシミュレーションが可能になります。

著者についてヤン・カウフマンと工学博士。 トビアス・ゾーン二人とも、ドイツのハンブルクにあるドイツロイド会社、FutureShip GmbH のエンジニアリングユニット流体力学のシニアプロジェクトエンジニアとして働いています。ミロバン・ペリック教授CD-adapco の技術担当副社長は、CFD に重点を置いたエンジニアリング シミュレーション ソフトウェアの独立系プロバイダーであり、ドイツのニュルンベルクに拠点を置いています。

(Maritime Reporter & Engineering News の 2013 年 2 月版に掲載 - www.marinelink.com)