Brodovi i pučinski objekti izloženi su djelovanju vjetra i valova, pri čemu udarna
valna opterećenja predstavljaju posebnu opasnost za sigurnost posade, opreme i
broda. Relativno niska vjerojatnost pojave ekstremnih valnih udara čini ih teškim
za opisati i predvidjeti, dok predstavljaju vrlo značajan faktor prilikom projektiranja
konstrukcija pomorskih objekata. Ekstremna valna opterećenja zbog toga
predstavljaju važan izazov ne samo zbog sigurnosti konstrukcija već i zbog potencijalnih
ušteda koje se mogu postići smanjenjem dimenzija konstruktivnih elemenata
novogradnje uslijed boljeg poznavanja pojave valnog udara. Postoje razne
pojave koje su vezane uz udarna valna opterećenja poput udaranja pramca (eng.
"slamming") i opterećenja uslijed vode na palubi (eng. "green sea"). Karakteristike
takvih pojava su komplicirana i brzo mijenjajuća geometrija slobodne
površine, te visoki gradijenti tlaka tokom udara uz moguće utjecaje stlačivosti
zarobljenih mjehura zraka. Trendovi u pomorskoj industriji usmjereni su projektima
koji u sve većoj mjeri izlažu objekte nepovoljnim valnim udarima, poput
sve dužih brodova za prijevoz kontejnera kod kojih velika vertikalna gibanja na
pramcu uzrokuju udaranje pramca te opterećenje uslijed vode na palubi, ili Floating
Production, Storage and Offloading objekata koji se sidre na način da im je
ograničeno zaošijanje zbog cega se nisu u mogućnosti okrenuti pramcem u smjer
vala i vjetra, te su iz tog razloga izloženi velikim amplitudama ljuljanja prilikom
čega dolazi do prolijevanja vode na palubu [1].
Prilikom predviđanja takvih opterećenja, linearne spektralne metode koje se
zasnivaju na potencijalnom modelu strujanja su vrlo korisne [2]. Koristeći spektralan
pristup odzivu pomorskih objekata moguće je odrediti dugoročan odziv
konstrukcije, koji pruža važne informacije vezane za cijeli životni vijek objekta
koje su od velike važnosti prilikom projektiranja. Pomoću spektralne analize može
se odrediti vjerojatnost premašivanja određenog ekstremnog događaja što je vrlo
korisno za detekciju i opis takvog događaja. Iako se vjerojatnost premašivanja
može odrediti za ekstreman događaj, predviđanje lokalnog odziva konstrukcije
uslijed istog nadilazi mogućnosti pojednostavljene linearne spektralne metode.
Iz tog se razloga pribjegava metodama koje točnije opisuju fiziku poput eksperimentalnih
ispitivanja ili Računalne Dinamike Fluida (RDF). Eksperimentalne
metode imaju dugu tradiciju i visoku točnost, te se desetljećima uspješno koriste
za određivanje ekstremnih valnih opterećenja. Numeričke metode kao što je RDF
su pod intenzivnim razvojem u industriji i akademskom svijetu, te je potreban
daljnji razvoj na području robusnosti i isplativosti za svakodnevno korištenje u
industriji.
Iako su eksperimentalne metode pouzdane, cesto su kompleksne, skupe i dugotrajne,
zbog cega se u industrijskom projektiranju uglavnom koriste za konačnu
potvrdu projekta, ili unutar velikih industrijskih istraživanja. S obzirom na navedeno,
postoji potreba za bržim metodama koje se mogu koristiti ranije u projektnom
procesu. Numeričke metode su jeftinije, brže i mogu se vršiti u prirodnoj
veličini izbjegavajući problem skaliranja, zbog čega predstavljaju alternativu
eksperimentalnom ispitivanju. Razna istraživanja se bave poboljšanjem točnosti,
robusnosti i pouzdanosti RDF metoda kako bi se mogle koristiti u industrijske
svrhe. Postoje dvije osnovne grupe RDF metoda: metoda Lagrangeovih cestica
(eng. "Smoothed Particle Hydrodynamics") i metode kontrolnih volumena (eng.
"Finite Volume"). Obje grupe metoda imaju određene prednosti i nedostatke,
međutim u posljednje vrijeme metode bazirane na kontrolnim volumenima dobivaju
više pozornosti zbog šireg raspona aplikacije te računalne učinkovitosti.
Prilikom valnog udara mjehur zraka može ostati zarobljen unutar vode ili
između slobodne površine i površine trupe pomorskog objekta. Zarobljen zrak
može značajno promijeniti trajanje i intenzitet tlačnih opterećenja prilikom udara
[3, 4, 5, 6]. Stlačivost zraka ima značajan utjecaj tokom udara zbog prijenosa
mehaničke energije između vala i zračnog mjehura zbog čega volumen, tlak i
gustoća zraka osciliraju. Stlačivost zraka prilikom udara produžuje djelovanje
tlačnog opterećenja na konstrukciju, što može uzrokovati veci prijenos energije
na konstrukciju te veći strukturni odziv. Nadalje, ako je zracni mjehur u doticaju
s objektom, površina na koju djeluje udarni tlak se povećava [6]. Dakle,
pouzdano modeliranje kompresibilnosti zraka je vrlo važno kako bi metoda mogla
generalno odrediti pojavu udarnih valnih opterećenja.
Tema ovog rada je numeričko modeliranje udarnih valnih opterećenja pomoću
metode kontrolnih volumena s naglaskom na praktičnu primjenu u industriji.
Glavni cilj rada je doći do sveobuhvatnog, pouzdanog, robusnog i računalno
učinkovitog numeričkog okruženja za predviđanje udarnih valnih opterećenja na
pomorske objekte, s naglaskom na opterecenja uslijed vode na palubi. Razne
metode su razvijene, testirane i primijenjene u ovom radu. Kako bi se poboljšala
računalna učinkovitost, unaprijeđena je sprega gibanja krutog tijela i jednadžbe
tlaka što omogućuje smanjenje broja nelinearnih iteracija vodeći do manjeg ukupnog
proracunskog vremena. Provedena je detaljna verifikacija i validacija numeričkog
okruženja za proračune opterećenja uslijed vode na palubi, kako bi se odredila
točnost i preciznost pristupa. Testiranje, validacija i sprega nelinearne metode
viših redova (eng. "Higher Order Spectral method", HOS) za efikasne proračune
propagacije morskih valova je provedena. HOS pruža rubne uvjete RDF metodi
za modeliranje kompleksnih valnih polja, kako bi se smanjilo trajanje i domena
RDF proračuna. Najveći doprinos ovog rada je razvoj dvofaznog modela strujanja
sa stlačivim modelom zraka, čija je točnost, robusnost i računalna učinkovitost
pokazana u detaljnoj verifikaciji i validaciji provedenoj u ovom radu. Metoda je u
mogućnosti modelirati zračne mjehure tijekom valnog udara, što je demonstrirano
na primjeru udara slamajućeg vala. Kao konačni ishod rada, razvijene numeričke
metode su sintetizirane kako bi se proveo proračun opterečenja palubne konstrukcije
broda za prijevoz kontejnera. Proračun koristi rezultate linearne spektralne
metode koja je korištena kako bi se definiralo projektno stanje mora relevantno
za ekstremno opterecenje uslijed vode na palubi.
I Cilj i hipoteza
Cilj ovog rada je uspostava sveobuhvatnog, pouzdanog, robusnog i računalno
učinkovitog numeričkog okruženja za proračune udarnih valnih opterećenje na
pomorske objekte s naglaskom na opterećenja uslijed vode na palubi. U ovom
višeskalnom pristupu je potrebno lokalna udarna valna opterećenja povezati s
dugorocnim odzivom pomorskog objekta kako bi se u obzir uzela cjeloživotna
eksploatacija. Na ovaj način je statistički opis odziva objekta povezan s determinističkim
opterećenjem koje se može koristiti prilikom projektiranja.
Hipoteza rada je da razvoj dvofaznog modela strujanja baziranog na metodi
kontrolnih volumena pri cemu se u obzir uzima stlačivost zraka bez značajnog
povećanja potrebnih računalnih resursa omogućuje generalne proračune udarnih
valnih opterećenja. Uz napredan algoritam za spregu gibanja krutog tijela i linearnu
spektralnu metodu za proračun odziva pomorskog objekta takva metoda bi
omogućila proračune realističnih i relevantnih strukturnih opterećenja uz razumne
računalne resurse.
II Znanstveni doprinos
Ovaj rad doprinosi znanstvenom polju brodogradnje pružajući računalno učinkovito,
sveobuhvatno i robusno numeričko okruženje za proračun udarnih valnih opterećenja.
Metode koje su razvijene, validirane i primijenjene u ovom radu su kombinirane
kako bi se dobio generalan hidrodinamički model koji može modelirati udare
morskih valova u punoj veličini. Relativno niske potrebe za računalnim resursima
omogućuju da se proračuni provedu unutar jednog dana na osobnom računalu,
omogučujući da se metoda koristi u procesu projektiranja.
Dvofazni model strujanja koji u obzir uzima stlačivost zraka proširuje valjanost
pristupa na širok spektar tipova valnih udara u usporedbi s konvencionalnim
nestlačivim modelom strujanja. Fenomen zračnog jastuka može imati velik
utjecaj na prostornu i vremensku distribuciju tlačnih opterećenja, pri čemu često
dolazi do povećanja prijenosa energije s vala na konstrukciju. Razvijeni model
strujanja koristi jedinstveni pristup modeliranju slobodne površine u smislu diskontinuiteta
karakteristika fluida na slobodnoj površini koji se zasniva na metodi
kontrolnih volumena i Ghost Fluid Method. Nadalje, razvijeni algoritmi za
spregu gibanja krutog tijela i jednadžbe tlaka unaprjeđuju računalnu učinkovitost
metode pri simulacijama gibajućih objekata na valovima. Dodatan doprinos
je ostvaren primjenom nove metode za praćenje slobodne površine koja se zove
"isoAdvector", koja je detaljno testirana i validirana za primjenu na opterećenja
uslijed vode na palubi.
Osim razvoja novih numeričkih modela, rad doprinosi usporedbom dva različita
pristupa definicije tzv. projektnog vala baziranog na dugoročnom odzivu
objekta. Metode su uspoređene na temelju opterećenja, računalne učinkovitosti
i praktičnosti, što pruža objektivnu procjenu dva pristupa
