Stroomlijnvisualisatie rondom de scheepsstructuur door middel van windtunneltesten met een scheepsmodel.

Vincent Snel
Vincent SnelKan Formule 1 bijdragen aan de gezondheid van de bemanning aan boord van gas- en chemicaliëntankers?Sinds het verbod op testen tijdens het seizoen maken Formule 1 teams nog meer dan vroeger gebruik van windtunnels om hun auto’s te ontwikkelen. Is deze techniek ook bruikbaar om de gezondheid van bemanningsleden aan boord van schepen te verbeteren?Gas- en chemicaliëntankers vervoeren allerlei soorten gassen en andere chemicaliën. Sommige zijn volkomen onschuldig, zoals plantaardige oliën (pindaolie, olijfolie); andere zijn zeer toxisch, zoals benzeen en tolueen.

Stroomlijnvisualisatie rondom de scheepsstructuur door middel van windtunneltesten met een scheepsmodel.

Vincent Snel

Kan Formule 1 bijdragen aan de gezondheid van de bemanning aan boord van gas- en chemicaliëntankers?

Sinds het verbod op testen tijdens het seizoen maken Formule 1 teams nog meer dan vroeger gebruik van windtunnels om hun auto’s te ontwikkelen. Is deze techniek ook bruikbaar om de gezondheid van bemanningsleden aan boord van schepen te verbeteren?

Gas- en chemicaliëntankers vervoeren allerlei soorten gassen en andere chemicaliën. Sommige zijn volkomen onschuldig, zoals plantaardige oliën (pindaolie, olijfolie); andere zijn zeer toxisch, zoals benzeen en tolueen. Bij het laden, lossen, schoonmaken en ventileren van de cargotanks van de onschuldige ladingen loopt de bemanning geen risico. Tijdens de ladingsoperaties van de toxische cargo’s echter is de bemanning normaal gesproken zo min mogelijk aanwezig op het dek om schadelijke gevolgen voor de gezondheid te vermijden. Maar hoe zit het met de gevolgen voor de gezondheid wanneer de bemanning zich binnen in de accommodatie of de machinekamer bevindt? Is de lucht die aangezogen wordt bij de inlaten van de airconditioning wel gezond genoeg, of kan dit verbeterd worden? Aan ladingsoperaties zelf kan er niet veel veranderd worden, bij het ventileren van de tanks komen er hoe dan ook ladingsdeeltjes vrij. Aan de inlaten van de airconditioning echter kan er wel iets veranderd worden. Als ze op plaatsen zitten waar tijdens de ladingsoperaties hoge concentraties bereikt worden, kunnen ze misschien beter elders geplaatst worden, waardoor de luchtkwaliteit binnen en de gezondheid van de bemanning verbeterd worden?

Deze tekst beschrijft onderzoek dat gedaan is in een lagesnelheid windtunnel, waar met behulp van een schaalmodel van een chemicaliëntanker, rookmachines en laserstralen de concentratie van de ladingsdeeltjes rond het scheepsmodel werd onderzocht.

Computermodellen zijn tot nu toe niet geschikt om de verspreiding en verdunning van contaminerende stoffen onder invloed van obstakels, in dit geval het kasteel van het schip, te berekenen. Daarom werd gebruik gemaakt van een schaalmodel van een chemicaliëntanker dat in de windtunnel geplaatst werd. In het eerste deel van de publicatie worden de windtunnel, het scheepsmodel, de rookmachines, de laser en de camera beschreven. Hierna worden de fysische voorwaarden behandeld waaraan moet voldaan worden om er voor te zorgen dat er gelijkvormigheid is tussen de testopstelling en de werkelijkheid. De voornaamste hiervan zijn het Reynoldsgetal Re dat de mate van turbulentie van de (lucht)stromingen in de windtunnel beschrijft, en de uitstroomsnelheid w van de rookdeeltjes. Ook wordt de grenslaag in de windtunnel behandeld. Dit is de overgangslaag tussen de vrije luchtstroming en het oppervlak van het scheepsmodel, waar de snelheid van de luchtstroming ten gevolge van wrijving tot nul herleid wordt.

In het tweede deel van het artikel wordt het eigenlijke onderzoek besproken. De bepaling van de relatieve intensiteit van de rookdeeltjes (die de ladingsdeeltjes simuleren) op verschillende plaatsen rond het scheepsmodel is de basis van het onderzoek. Dit wordt gedaan door de intensiteit van het weerkaatste laserlicht op de rook te onderzoeken. Tijdens elke proef werden er 369 foto’s van de testopstelling genomen: de windtunnel, het scheepsmodel en de rook. Van deze 369 foto’s wordt een gemiddelde foto bepaald. Aangezien de lichtintensiteit ook voor een deel bestaat uit gereflecteerd licht op de windtunnel en het scheepsmodel, wordt er eerst een achtergrondfoto gemaakt. Op die foto staan alleen de windtunnel en het scheepsmodel. Van deze foto wordt voor elke pixel de lichtintensiteit bepaald, die dan wordt afgetrokken van de intensiteit van de pixels op de gemiddelde foto. We houden nu per pixel de intensiteit over die het gevolg is van reflectie van het laserlicht op de rook: de gecorrigeerde intensiteit.

De gecorrigeerde lichtintensiteit per pixel is een maat van de hoeveelheid rook op die plaats. Verspreid rond het scheepsmodel zijn er 44 meetpunten. De relatieve intensiteit in één meetpunt is de gecorrigeerde intensiteit in het meetpunt gedeeld door de gecorrigeerde intensiteit bij de bron van de rookdeeltjes (de ladingstank tijdens de ladingsoperaties).

Bij het onderzoek zijn er veel verschillende camerastandpunten gebruikt. Hierdoor lijkt het scheepsmodel op de verschillende foto’s verschoven te zijn: naar links, naar rechts, meer boven of onder in de foto, kleine veranderingen in de camerahoek ten opzichte van het scheepsmodel… Om toch foto’s van verschillende proeven met elkaar te kunnen vergelijken werd de transformatiematrix T van de transformatie die het scheepsmodel onderging van de foto van een referentiereeks naar de andere reeksen bepaald. Deze matrix T werd vervolgens toegepast op de 44 meetpunten in de referentiefoto, om ze op de juiste plaats te kunnen zetten in de foto’s van de verschillende testreeksen.

Bij een eerste analyse van de verschillende testreeksen blijkt dat fouten zijn gebeurd bij de metingen, waardoor er meerdere metingen niet meer voldoen en dus niet beoordeeld kunnen worden. Er blijven vijf testreeksen over die beoordeeld worden. Bij drie van deze reeksen valt op dat de concentratie bij de meetpunten toeneemt wanneer de windsnelheid in de windtunnel verhoogd wordt. Dit is niet in overeenstemming met de verwachting dat hoe harder het waait, hoe meer de rookdeeltjes verdund en verspreid worden. Bij verdere analyse van de gemiddelde foto’s van de testreeksen blijkt dat bij deze testen de belichtingsomstandigheden veranderen. Hierdoor is de lichtintensiteit niet continu en lijkt het alsof de concentratie in de meetpunten toeneemt bij hogere windsnelheden.

Stel het kasteel van het schip voor als een groot huis met drie verdiepingen. De locatie van de inlaat van de airconditioning voor de accommodatie is dan op het dak van dat huis, en die voor de machinekamer is aan de achterkant van het huis, op de eerste verdieping, en de wind in de windtunnel waait tegen de voorkant van het huis. Uit analyse van de twee overgebleven testreeksen zien we dat op ‘het dak’ de concentratie van de rookdeeltjes (dus de toxische ladingsdeeltjes) relatief laag is. Bij de achterkant, meer bepaald bij ‘de achterdeur’ en ‘de eerste verdieping’ is de concentratie juist relatief hoog. Hieruit kunnen we concluderen dat de inlaat voor de accommodatie gunstig geplaatst is: hoog en ver van de bron verwijderd. De inlaat voor de machinekamer echter lijkt ongunstig geplaatst te zijn. Aan de achterkant van het kasteel wordt namelijk een gebied van lage druk gevormd waardoor hier de rookdeeltjes worden aangezogen en de concentratie verhoogd.

Windtunnelonderzoek kan dus zeker bijdragen aan betere werk- en leefomstandigheden voor de bemanning aan boord van schepen, maar de testmethode moet nog verder geoptimaliseerd worden, waarbij men vooral op de belichtingsomstandigheden dient te letten. Vervolgonderzoek is dus aangewezen.

 

Bibliografie

BibliografieGeschreven bronnenArya, S.P.S., en Lape Jr., J.F. (1990). A Comparative Study of the Different Criteria for the Physical Modeling of Buoyant Plume Rise in a Neutral Atmosphere. Atmospheric Environment, Vol. 24A, pp. 289-295.Barlow, J.B., Rae, W.H. en Pope, A. (1999). Low-speed wind tunnel testing. John Wiley & Sons, New York, 3e druk.Brichart, C. (2009). Tests en soufflerie sur la maquette d'un chimiquier pour l'étude de la dispersion de polluants. Antwerpen, Hogere Zeevaartschool. Mémoire Master.Cheung, J.C.K., en Melbourne, W.H. (1995). Building downwash of plumes and plume interactions. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 54/55, pp. 543-548.Contini, D., Hayden, P., en Robins, R. (2006). Concentration field and turbulent fluxes during the mixing of two buoyant plumes. Atmospheric Environment, Vol. 40, pp. 7842-7857.Contini, D. en Robins, R. (2004). Experiments on the rise and mixing in neutral crossflow of plumes from two identical sources for different wind directions. Atmospheric Environment, Vol. 38, pp. 3573-3583.De Kerf, L. (2009). Onderzoek naar toxische dampen aan boord van chemicaliëntankers - Windtunneltesten met eigen gemaakt schaalmodel. Antwerpen, Hogere Zeevaartschool. Masterscriptie.Dimitriadis, G. (2011). Experimental Aerodynamics – Lecture 4: Testing Procedures. Université de Liège, Liège. Niet-gepubliceerde cursus. Download via: http://www.ltas-aea.ulg.ac.be/cms/.Hanna, S.R., Briggs, G.A. en Hosker Jr., R.P. (1982). Handbook on Atmospheric Diffusion. US Department of Energy Report DOE/TIC – 11223. Download via http://www.osti.gov.Higson, H.L. et al. (1994). Concentration measurements around an isolated building: a comparison between wind tunnel and field data. Atmospheric Environment, Vol. 28, pp. 1827-1836.Hoult, D.P. en Weil, J.C. (1972). Turbulent Plume in a Laminar Crossflow. Atmospheric Environment, Vol. 6, pp. 513-531.Kolá?, V. en Savory, E. (2007). Dominant flow features of twin jets and plumes in crossflow. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 95, pp. 1199-1215.Kulkarni, P.R., Singh, S.N. en Seshadri, V. (2005). Flow Visualization Studies of Exhaust Smoke-Superstructure Interaction on Naval Ships. Naval Engineers Journal, Vol. 117, No. 1, pp. 41-56.Lee, J.H.W. en Chu, V.H. (2003). Turbulent Jets and Plumes: a Langrangian Approach. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.Lee, J.T. et al. (1991). A video image analysis system for concentration measurements and flow visualization in building wakes. Atmospheric Environment, Vol. 25A, No. 7, pp. 1211-1225.Leutheusser, H.J. en Motycka, J. (1978). Wind Tunnel Testing of Flue Gas Dispersion. Atmospheric Environment, Vol. 12, pp. 1313-1318.Leuzzi, G., en Monti, P. (1997). Particle trajectory simulation of dispersion around a building. Atmospheric Environment, Vol. 32, pp. 203-214.Mavroidis, I., Griffiths, R.F. en Hall, D.L. (2003). Field and wind tunnel investigations of plume dispersion around single surfaces obstacles. Atmospheric Environment, Vol. 37, pp. 2903-2918.Mott, R.L. (2006). Applied Fluid Mechanics. Pearson Education, Upper Saddle River, 6e editie.Nakibo?lu, G. et al. (2009). Stack Gas Dispersion Measurements with Large Scale-PIV. Aspiration Probes and Light Scattering Techniques and Comparison with CFD. Atmospheric Environment, Vol. 43, pp. 3396-3406.Nye, D., Dennis, R. en Murray, G. (1999). Driving Ambition – The Official Inside Story of the McLaren F1. Virgin Books, London.Plate, E.J. (1982). Engineering Meteorology. Elsevier, Amsterdam.Robins, A. et al. (2001). A wind tunnel study of dense gas dispersion in a stable boundary layer over a rough surface. Atmospheric Environment, Vol. 35, pp. 2243-2252.s.n. (2002). Het Nieuwe Nationaal Model. TNO Rapport nr. R 98/306. Download via http://www.infomil.nl.Snyder, W.H. (1972). Similarity Criteria for the Application of Fluid Models to the Study of Air Pollution Meteorology. Boundary-Layer Meteorology, Volume 3, Issue 1, pp. 113-134.Snyder, W.H. (1981). Guideline for Fluid Modeling of Atmospheric Diffusion. US Environmental Protection Agency Report EPA-600/8-81-009. Download via http://www.epa.gov.Snyder, W.H. en Castro, I.P. (1998). The Yaw-response of hot-wire probes at ultra-low wind speeds. Measurement Science and Technology, Vol. 9, pp. 1531-1536.Snyder, W.H. en Lawson Jr., R.E. (1991). Fluid modeling simulation of stack-tip downwash for neutrally buoyant plumes. Atmospheric Environment, Vol. 25A, No. 12, pp. 2837-2850.Sutton, O.G. (1949). Atmospheric Turbulence. Methuen & Co. Ltd., London.Townsend, A.A. (1956). The structure of turbulent shear flow. Cambridge University Press, Cambridge.Van den Bosch, C.J.H. en Weterings, R.A.P.M. (2005). Methods for the Calculation of Physical Effects due to the release of hazardous materials (liquids and gases). Third edition, Second revised print.               Download via http://www.publicatiereeksgevaarlijkestoffen.nl.Wieringa, J. et al. (2001). New Revision of Davenport Roughness Classification. Paper presented at the 3rd European and African Conference on Wind Engineering, Eindhoven, July 2001.Wu, T.Y. (1972). Cavity and Wake Flows. Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 4, pp. 243-284.

Mondelinge bronnenVan Beeck, J. (6 mei 2010). Vergadering op de Hogere Zeevaartschool, Antwerpen.

Elektronische bronnenConcept Engineering Ltd. (2011). Geraadpleegd op http://www.concept-smoke.co.uk/colt_4_turbo.aspx. Laatste raadpleging: 20 juli 2011.Dantec Dynamics A/S. (2011). Geraadpleegd op http://www.dantecdynamics.com/Admin/Public/DWSDownload.aspx?File=files%…. Laatste raadpleging: 31 juli 2011.Devenport, W.J. en Hartwell, W.L. (2006). Experiment 1 – FLOW VISUALIZATION.  Geraadpleegd op http://www.aoe.vt.edu/~devenpor/aoe3054/manual/expt1/text.html. Laatste raadpleging: 20 juli 2011.Benson, T. (2009). Boundary Layer. Geraadpleegd op http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/boundlay.html.  Laatste raadpleging: 20 juli 2011.GeoGebra v3.2.46.0 (2011). Geraadpleegd op http://www.geogebra.org. Laatste raadpleging: 6 april 2011.Scheer, J. (2009). Rotameters: Simplicity = Utility. Geraadpleegd op http://www.globalspec.com/reference/9771/349867/rotameters-simplicity-u…. Laatste raadpleging: 20 juli 2011.Scilab v5.3.0 (2011). Geraadpleegd op http://www.scilab.org. Laatste raadpleging: 10 februari 2011.Von Karman Instituut (2009). 2x3 Meter Wind Engineering Facility L-1B. Geraadpleegd op http://www.vki.ac.be/images/facilities/l1b_schema.jpg. Laatste raadpleging: 20 juli 2011.Watson-Marlow (2011). The perfect pumps. Geraadpleegd op http://www.watson-marlow.com/images/s-b16anim.gif.            Laatste raadpleging: 20 juli 2011.Weisstein, E.W. (2011). Shear Factor. Geraadpleegd op http://mathworld.wolfram.com/ShearFactor.html.                    Laatste raadpleging: 20 juli 2011.Wikipedia (2011). Manometer. Geraadpleegd op http://nl.wikipedia.org/wiki/Bestand:Manometer.PNG.           Laatste raadpleging: 20 juli 2011.Wikisage (2011). Goniometrie. Geraadpleegd op http://www.nl.wikisage.org/wiki/Goniometrie. Laatste raadpleging: 20 juli 2011.

 

Universiteit of Hogeschool
Nautische Wetenschappen
Publicatiejaar
2011
Share this on: