بخشی از مقاله
چکیده
امروزه تلاش برای کاهش در م صرف سوخت، انت شار گازهای گلخانهای و آلایندههای جوی، صرفهجویی اقت صادی و همچنین هماهنگ شدن با قوانین جدید نگرانی پیشروی صنعت کشتیرانی است. بهمنظور برآوردن و رسیدن به این اهداف تلاشها و تحقیقات زیادی صورت گرفته است که در این مقاله برخی از روشهای کاهش مصرف سوخت ازجمله بهینه سازی تریم شناور در آبخور طراحی موردبررسی قرارگرفته است. در این راستا مقاومت بدنه یک شناور کانتینربر مدل، تحت عنوانKCS در آبخور طراحی محاسبه شده است .
این تحلیل به صورت حل عددی در نرمافزار Star ccm+ برای تریمهای -0/1 تا +0/1 انجام پذیرفته ا ست. نتیجه حا صل از مقاومت بدنه شناور مدل به بدنه ا صلی تعمیم داده شده و با ا ستفاده از مدل سازی سی ستم رانش به ازای تریمهای مختلف میزان م صرف ویژه سوخت شناور ارائه شده ا ست. در این خ صوص، مدل ریا ضی سامانه رانش کشتی در محیط محاسباتی سیمولینک نرمافزار متلب پیادهسازی و اجرا گردیده است. با توجه به نتایج مدلسازی و شبیه سازی بدنه شناور کاهش 1/02 درصدی مصرف سوخت به ازای بهینه سازی تریم نتیجهشده است.
-1مقدمه
در سالهای اخیر، با توجه به اهمیت کاهش مصرف انرژی، هزینه سوخت که یکی از بخشهای مهم و تأثیرگذار در هزینهها است در مورد شناورها و کشتیها نیز مطرحشده است.. درواقع شاخص مصرف انرژی درکشتیها میزان مصرف سوخت است و راهکارهای کاهش مصرف سوخت در شناورها باید مورد بررسی و شناسایی قرار گیرد. اصلاح بدنه و ملحقات، برای بهبود هیدرودینامیک کشتی در کاهش مقاومت و مصرف سوخت مؤثر است اما تنها راهحل، کاهش مقاومت شناور نیست.
کارکرد سیستم رانش و ماشینآلات اصلی شناور باید در وضعیت مطلوب باشد تا حداقل مصرف را داشته باشد. همچنین افزایش بازدهی سیستم تهویه و سایر تأسیسات اثر قابلملاحظهای در کاهش مصرف برق و در نتیجه سوخت یک شناور دارد. در برخی شناورها میتوان با کاهش مصرف برق لازم برای روشنایی و استفاده از وسایل کم مصرفتر از مصرف سوخت کاست.
حدود 90 درصد از تجارتهای جهانی بهوسیله کشتیها از طریق صنعت دریایی انجام میشود. هزینه سوخت یکی از بخشهای مهم و تأثیرگذار در هزینههای شناورها است. مصرف سوخت در شناورهای بزرگ در حدود1000 تا 5000 لیتر ساعت میرسد و با توجه به اینکه بهطور متوسط سرانه مصرف انرژی برای هر نفر در ایران در سال1390 معادل3000 لیتر نفت سفید بوده است، مصرف سوخت یک کشتی در یک ساعت بیش از مصرف سوخت یک سال یک خانواده است .[1]
هزینه سوخت یک کشتی که 20 ساعت در طول روز به فعالیت مشغول است در مرتبه میلیون دلار برای یک سال کاری خواهد بود. بر این اساس حتی تغییرات کوچک باعث کاهش مصرف سوخت تأثیرات چشمگیری داشته و نتایج قابلملاحظه به دنبال خواهد داشت. بهنحویکه کاهش تنها 1 درصدی مصرف سوخت میتواند باعث صرفهجویی 50 هزار دلاری برای فلهبرهای متوسط و 300 هزار دلار برای کانتینربرهای بزرگ در سال را حاصل شود.[2]
برخی از فاکتورهای مهم که تأثیر زیادی در مصرف سوخت کشتیها دارند عبارتاند از: تعداد موتورهای اصلی فعال سرعت کشتی جهت و سرعت جریان آب عمق آب آبخور کشتی جهت، قدرت و سرعت باد و امواج شناورها ازنقطهنظر کاربری به دستههای مختلفی تقسیمبندی می شوند که با توجه به فعالیت آنها مصرف سوخت نیز متفاوت خواهد بود اما نکته قابلبررسی در همه آنها اهمیت کاهش مصرف سوخت است. طبق قوانین موسسه ردهبندی ABS کنترل سفر دریای از طریق برنامهریزی زمان حرکت شناور و کنترل مسیر دریانوردی بهصورت لحظهای میتواند تأثیر زیادی بر کاهش مصرف سوخت داشته باشد که این مدیریت با استفاده از سازماندهی چندین موضوع ازجمله موارد زیر است.[3]
-1 سرعت بهینه در سفر دریایی
-2 مسیر بهینه سفر1
-3 تریم یا آبخور بهینه
-4 زبری سطح
-5 بهینهسازی پروانه و سیستم رانش در ادامه به بررسی تفصیلی یکی از این پارامترهای مهم، با عنوان تریم یا آبخور بهینه می پردازیم.
-2تریم یا آبخور بهینه
مقاومت هیدرودینامیکی بدنه شناورها اغلب در دو یا یک آبخور با تریم صفر بهینهسازی میشوند تا کمترین مقاومت را در زمان حرکت داشته باشند. بهطوریکه در زمان بارگیری کامل شناور، سینه و پاشنه شناور به نحوی باشد تا رژیم جریان کمترین مقاومت را روی بدنه شناور ایجاد کند. تغییرات کوچک آبخور میتواند باعث برهم زدن رژیم جریان و افزایش مقاومت و درنتیجه افزایش م صرف سوخت شود. گاهی اوقات حتی در حالت وزن سبک شناور اگر درتریم نادرستی حرکت کند، مقاومت و مصرف سوخت از وقتیکه شناور بهصورت کامل بارگیری کرده است بیشتر میشود.[3]
برای یک سفر ممکن است کالای بارگیری شده به نحوی باشد که شناور بهاندازه کافی بارگیری نکند و وزن موردنظر آبخور طراحی را ایجاد نکرده و مجبور شود که در آبخوری متفاوت از آبخور طراحی حرکت کند. در این حالتها نحوه توزیع بار، آب بالاست و سایر مواد مصرفی نیز بر تریم شناور تأثیر می گذارند که این مورد باید تو سط اف سران عر شه و خدمه شناور کنترل شوند تا بتوانند با ا ستفاده از آب بالا ست شناور را در تریم موردنظر نگهدارند.
امروزه برای محا سبهتریم بهینه شناور در آبخور مورد موردنظر ابزارهای زیادی ا ستفاده می شود که این ابزارها و نرمافزارها صرفاً برای یک شناور مورد برر سی قرارگرفته و تو سط آزمایش یا حل عددی نمودارهایی برای بهترین حالت تریم شناور بر ا ساس آبخور ا ستخراج نموده و در شناور مربوطه مورداستفاده قرار میدهند. بنابرمطالعات انجام شده توسط موسسه ردهبندیABS هزینه این محاسبات برای شناورها 50 تا 100 هزار دلار است و میتواند منجر به کاهش 1 تا 2 درصد مصرف سوخت شناور شود.[3]
یکی دیگر از روشهای به دست آوردن بهترین حالت آبخور و تریم برای شناورها، زمانی که در طراحی اولیه قرار نگرفتهاند، ثبت اطلاعات مصرف سوخت در طی 2 تا 3 سفر دریایی است. سپس اطلاعات ثبتشده، بررسی میشوند و نموداری برای تریم و آبخور از آنها بر اساس کارکرد بدنه و آسیبهایی که در طی مدت عملیات دیده استخراج میشود. نمودار استخراجشده ممکن است کامل نباشد اما انتظار تفاوت با نمودار اولیه که در زمان طراحی تهیهشده است وجود دارد. که دلیل آن میتواند آسیبهای مکانیکی باشد که به شناور در حین بهرهبرداری واردشده یا حتی نحوه رسوب روی بدنه باشد.[4]
-3محاسبه نیروی مقاومت شناور مدل
هدف از انجام این بخش تعیین مؤلفههای مختلف نیروی مقاومت بدنه شناور با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی است؛ تا بتوان با استفاده از آن نیروی تراست لازم از جانب پروانه را نیز تعیین نمود. در این خصوص مدل شناور کانتینربر KCS انتخاب گردیده است که دارای ابعاد و اندازههایی مطابق با جدول1 است.
-1-3شبیهسازی در نرمافزار Star ccm+
برای انجام شبیهسازی، جئومتری مدل شناور وارد نرمافزار شده و یک میدان محاسباتی با عرض در حدود 4 برابر طول شناور، طول و ارتفاع میدان محاسباتی نیز به ترتیب برابر 5 و3 برابر طول مدل، مطابق با شکل 2 در نظر گرفتهشده است. پس از آماده سازی و ایجاد توپولوژی تحلیل، فیزیک حاکم بر مسئله و شرایط مرزی مشخص خواهد شد. فیزیک مسئله در اصل متغیرهای اساسی شبیهسازی همچون فشار، سرعت، دما و... را تعریف میکند و همچنین بر اینکه چه فرمولهای ریاضی بر مسئله حاکم باشند نیز تأثیر میگذارد. شبیهسازی جریان مقاومت یک مسئله چند فیزیکی گذرا است.
-2-3شرایط مرزی و شبکهبندی میدان محاسباتی
برای انجام امر شبیه سازی نیاز ا ست تا مرزهای دامنه محا سبات م شخص و شرایط اولیه برر سی شده بر روی آنها اعمال گردد تا فرایند تحلیل دینامیک سیالات محا سباتی شروع و به نتیجه بر سد. بر این ا ساس وجوه دامنه محا سبات بهعنوان مرز دامنه نامگذاری و شرطگذاری شدهاند که شکل 3 نشاندهنده این مسئله است.
