Námořní doprava představuje přibližně 80 % celosvětové přepravy zboží a hraje klíčovou roli v celosvětovém námořním obchodu. Je to ekonomicky nejefektivnější prostředek pro dálkovou, mezikontinentální přepravu, ale také se může pochlubit jednou z nejnižších emisí na kilometr a přepravenou jednotku.
Tankerové lodě jsou životně důležité pro přepravu kapalin na velké vzdálenosti, přepravu ropy, topného oleje, zkapalněného zemního plynu a potenciálně kapalného vodíku a mnoha dalších.
Tankery jsou schopny ve svých nákladních tancích přepravovat obrovské objemy kapalin. Při vystavení vnějším silám, jako je oscilační pohyb plavidla na moři, mohou tyto pohyby vyvolat praskání vln uvnitř nádrže, které mohou ohrozit bezpečnost plavidla.
Sloshing
Sloshing je jev, ke kterému dochází vždy, když jsou částečně naplněné nádrže vystaveny oscilační vnější síle. Prof. Inġ. Claire De Marco a Dr Mitchell Borg (Fakulta inženýrství, University of Malta) to ilustrují: „Představte si, že máte sklenici do poloviny plnou. Pokud pohybujete sklenicí tam a zpět a náhle se zastavíte, kapalina se bude uvnitř sklenice dále pohybovat, i když je nádoba nehybná.
Uvnitř cisternových plavidel se zvýrazňuje pohyb vytékající kapaliny a kapalina je schopna způsobit nárazový efekt, který může poškodit nádrž, plavidlo a v extrémních případech i převrátit plavidlo.
Aby se tomuto riziku předešlo, existují přísné předpisy týkající se objemu kapalného nákladu přepravovaného tankery. Borg ve skutečnosti vysvětluje, jak tankery „nejsou považovány za způsobilé k plavbě, pokud objem kapalného nákladu v jejich nádržích je více než 10 % a méně než 70 % objemu nádrže, což znamená, že plavidlo nemůže ani opustit přístav“. Toto nařízení vytváří velké logistické potíže. Borg ilustruje, že „pokud tanker připlouvá z Gibraltarského průlivu a vykládá náklad na Ibize nebo na Sicílii nebo na Maltě a potřebuje plout například na řecké ostrovy, objem nákladu by musel zůstat pod 10 % nebo nad 70 %. % objemu.“ Díky tomu je přeprava mnohem méně efektivní, zvláště pokud zahrnuje spot-trading (jednorázová sazba za náklad, obvykle platí pouze pro jednu zásilku) a vykládku ve více přístavech. Regulace 10-70 % způsobuje logistické problémy a nevyhnutelně bude vyžadovat častější cesty, což následně činí přepravu neefektivní.
Prolomit vlnu
Financováno prostřednictvím Maritime Seed Award MarSA, výzkumná skupina z University of Malta, DeSloSH, se zaměřuje na snížení efektu Sloshing na trupy lodí. Aby toho dosáhli, Dr. Mitchell Borg a Prof. Inġ. Claire De Marco (Fakulta inženýrství, University of Malta) staví testovací zařízení, které bude analyzovat, jak se jev sloshing a jeho účinky projevují v různých konstrukcích nádrží a jak lze navrhnout a nainstalovat vnitřní konstrukce uvnitř nádrží, aby se potlačily dynamické účinky sloshing.
Problém sloshing se neomezuje pouze na námořní dopravu, ale je zásadní i pro letecký průmysl. Letouny musí nést palivo na křídlech, což má také za následek plácnutí. Studium tohoto efektu je také velkým přínosem pro letecký průmysl a probíhá několik projektů souvisejících s letectvím s cílem analyzovat a potlačit efekt sloshing v kontrolovaném prostředí.
Typy vnějších sil působících na letadlo jsou však zcela odlišné od sil, které plavidlo zažívá na moři. To znamená, že existují zásadní rozdíly ve způsobu, jakým bylo navrženo testovací zařízení DeSloSH. Zatímco stávající konstrukce používají písty k vyvolání vnější síly na nádrž v laboratoři, DeSloSH navrhl experimentální uspořádání tak, aby mohl vyvolat točivý moment pro replikaci pohybů plavidel v moři.
Když je nákladní loď nebo jakýkoli jiný typ plavidla v provozu na moři, kmitá kolem své osy, podobně jako převrácené kyvadlo. Ve fyzice je tento typ pohybu známý jako jednoduchý harmonický pohyb. V nastavení DeSloSH krokový motor přeměňuje elektrickou energii na rotační pohyb, který je poté přeměněn na jednoduchý harmonický pohyb pomocí skotského třmenu. Skotský třmen simuluje vnější síly na částečně naplněné, zmenšené nádrži, aby vyvolal efekt sloshing. Snímač točivého momentu bude měřit výsledný točivý moment na nádrži. Točivý moment souvisí s tím, jak může síla ovlivnit rotační pohyb tělesa, a jeho měřením lze porozumět síle sloshing efektu.
Poté, co si uvědomíte, jak se nádrž chová, budou do nádrže přidány různé vnitřní struktury. Například přidání přímých přepážek, jako jsou stěny podél rotační osy, sníží efekt slashingu, ale nový koncept projektu spočívá v použití účelově uspořádaných a dimenzovaných perforovaných přepážek tak, aby otvory prolomily vlnu s mnohem větší účinností.
Vliv v sektoru dopravy
Tým vysvětluje, jak „začínáme od nuly, od konceptualizace po design, nákup surovin, výrobu a montáž nového designu a testování…“. Použití výpočetní dynamiky tekutin (CFD) a numerického softwaru k simulaci tohoto jevu ve spojení s experimentováním na testovacím zařízení usnadňuje, zlevňuje a zvyšuje spolehlivost simulace různých podmínek. Například lze otestovat, zda software souhlasí s experimentováním, a poté simulovat upscaling na nádrže plné velikosti, a tato metoda v zásadě umožňuje výzkumníkům předpovídat chování různých typů kapalin a objemů v nádržích namísto fyzického testování modelu.
DeSloSH si klade za cíl navrhnout novou architekturu nádrží a prostřednictvím simulací předvídat, že přepravování objemů kapaliny v rámci zakázaného intervalu 10-70 % je bezpečné. To by vyřešilo mnoho logistických problémů, snížilo by se zbytečné cesty a proces přepravy by byl bezpečnější, levnější a efektivnější. Především by to snížilo emise tohoto odvětví, čímž by se stalo ekologičtějším.
Projekt Projekt DeSloSH je podporován prostřednictvím Maritime Seed Award 2020.
Sloshing je něco, co každý zná na velmi základní úrovni. Klasickým příkladem je snaha nevylít plný šálek kávy – ale podobnou zkušenost mám s nadšenými dětmi při koupeli.
Základní myšlenkou je, že máte tekutinu v jakési nádobě s volným povrchem. Když na tekutinu působí síla – jako je chůze se šálkem kávy nebo děti stříkající ve vaně – tekutina se začne pohybovat. Nádoba omezuje pohyb kapaliny a nastavuje oscilaci tam a zpět, kterou známe jako sloshing.
Rozlití kávy je obvykle jen drobná nepříjemnost, ale u větších nádob může mít cákání skutečné následky. Některé větší příklady sloshingu zahrnují:
- Letecké palivo tryskající uvnitř křídelní nádrže letadla.
- Přístavy v důsledku tsunami (např. Hilo, Hawaii nebo Crescent City, CA).
- Velká jezera slanoucí v důsledku velké bouře.
- Příliv a odliv v oceánských pánvích.
- Plavecký bazén sloshing během zemětřesení
Důsledkem je síla, kterou vytváří velká hmota kapaliny, která se rychle pohybuje – cokoli, co stojí v cestě proudící kapalině, bude vystaveno zatížení, pro které to nemuselo být navrženo.
Doba loupání závisí na velikosti a tvaru nádoby – velké nádoby, jako jsou jezera, mají delší dobu než malé nádoby, jako jsou šálky na kávu. Věci se však stanou zajímavými, když se začneme dívat na vyšší frekvence kontejnerů. Zvažte velkou válcovou nádrž o průměru 20 stop a hloubce 10 stop – zvětšenou verzi šálku kávy. Režim sloshing, který každý zná ve svém šálku kávy, má jednu vlnovou délku po obvodu (i = 1) a žádné vlny přes průměr (j = 0). Pro tento jednoduchý tvar můžeme použít některé cool Besselovy funkce k určení periody primárního sloshing módu, která je 4.28 sekundy. Toto je dlouhé období, protože nádrž je poměrně velká, a tak je nepravděpodobné, že by interagovala s nějakými strukturálními frekvencemi.
Pokud však začneme nabalovat více vln po obvodu nádoby nebo začneme dávat nějaké vlny přes průměr nádoby (nebo obojí!), vlnová délka se zmenší, rychlost, kterou se vlna šíří, a perioda toho vlnový režim se zmenší. Tabulka 1 ukazuje rezonanční periody pro různé vlnové módy a povrch kapaliny pro každý vlnový mód je zobrazen ve spodní části sloupku. Některé z vyšších režimů začínají být pěkně divoké!
Tabulka 1: Sloshing Period pro různé vlnové módy v nádrži o poloměru 20 stop a 10 stop hluboké nádrži
Je zajímavé, že jak se dostanete do režimů s vyšší frekvencí, existuje mnoho režimů, které nakonec mají téměř stejnou periodu. To je důležité, pokud máte frekvenci vnucování, která je v souladu s několika režimy najednou. V reaktorové nádrži může buzení pocházet ze vstřikování plynu do kapaliny, která budí povrch kapaliny, nebo z dlouhého hřídele míchadla, který budí povrchovou vlnu při vlastní frekvenci šachty, nebo proudění periodicky deformující pružnou stěnu nádoby.
V případě tryskového paliva v křídelní nádrži může šplouchání v křídelní nádrži způsobit změny letového chování, které se obnoví ve stejnou dobu jako šplouchání, což si vynucuje zpětnou vazbu, která nakonec vede ke špatným věcem pro letoun. Řešením pro letadla je umístit několik omezujících přepážek, které rozbijí velkou nádrž na mnoho menších nádrží s vyššími frekvencemi, které neovlivňují letovou odezvu letadla. V případě kruhového tanku se umístění přepážek do tanku může proměnit ve hru whack-a-mol, kde můžete zablokovat jeden vlnový režim, ale energie se přesune do jiného režimu s podobnou periodou.
Pokud je to možné, někdy je nejlepší odpovědí identifikovat, že byste mohli mít problém se sloppingem na začátku procesu návrhu, a udělat vše pro to, abyste se mu vyhnuli.
