Bevriezen! Nieuw model om schepen te beschermen tegen ijsvorming

Energieën (2021). DOI: 10.3390 / en14041020

Onderzoekers van Skoltech (Rusland) en hun collega’s van SINTEF (Noorwegen) hebben een wiskundig model ontwikkeld van ijskoude waterdruppels die in koude lucht bewegen. Dit model maakt deel uit van een gezamenlijk door RFBR ondersteund Russisch-Noors onderzoeksproject. Het project is gericht op het voorspellen van ijsaanslag op schepen en andere offshore-constructies die in arctisch klimaat worden geëxploiteerd, wat de goede werking ervan kan verstoren en bemanningsleden en lading in gevaar kan brengen. Het artikel is in het tijdschrift gepubliceerd Energieën.

Schepen reizen in koude noordelijke wateren onder constant bombardement door kleine waterdruppeltjes die de kille lucht bevolken. De druppels worden de lucht in gedreven door de impact van zeegolven op de scheepsromp of andere oppervlakken. Wanneer ze de onderbouw van het schip bereiken, kunnen deze halfgevroren druppeltjes stuiteren of blijven plakken. De kans dat de druppeltjes aan de wand blijven plakken, hangt af van hun bevriezingstoestand, dwz volledig bevroren druppeltjes kaatsen gewoon terug, terwijl andere tot verschillende scenario’s leiden. Als er te veel van blijven plakken, hoopt de structuur zich op ijs, wat de stabiliteit ervan kan bedreigen en oppervlakte-erosie kan veroorzaken. Er zijn modellen die dit proces beschrijven voor vliegtuigen en elektrische hoogspanningslijnen, maar tot nu toe zijn er geen simulatietools die de ijsaanwas op zee nauwkeurig beschrijven en die niet veel rekenkracht vereisen.

“Het ijsaccretieproces bestaat uit een paar belangrijke fasen. Ten eerste worden de druppels gegenereerd door de impact van de zeegolf met verschillende grootten en snelheden. Vervolgens vliegen ze naar het schip in de vorm van een zeespraywolk, terwijl de verspreiding van druppelgrootte, locatie en snelheid in de wolk is onbekend. Ten slotte dragen druppeltjes bij een botsing met een oppervlak met een bepaalde efficiëntie bij aan de ijsaanwas. Sommige druppels tellen niet op bij de ijslaag, terwijl andere er een deel van worden. processen worden nauwelijks bestudeerd en bevatten veel onbekende parameters, wat numerieke simulaties moeilijk maakt. Bij Skoltech ontwikkelen we een paar speciale experimentele opstellingen om de onbekende parameters in het laboratorium en op zee te verkrijgen. Onze experimentele resultaten worden een onderdeel van een complex model van ijs aanwasproces. We dragen ook bij met modellen van enkele subprocessen van de glazuur “, zegt senior onderzoeker Svyatoslav Chugunov, een co-auteur van de paper.

Iskander Akhatov, professor en directeur van het Skoltech Center for Design, Manufacturing and Materials, professor Dmitry Eskin, MSc-afgestudeerde Doston Shayunusov en Svyatoslav Chugunov bouwden precies zo’n model van de afkoeling van een druppel, zijn gedeeltelijke stolling en zijn verdere interactie met de stevig muuroppervlak.

Het model bestaat uit twee delen: het eerste deel simuleert de gedeeltelijke bevriezing van de druppel na het verlaten van de kernvloeistof, en het tweede deel simuleert de interactie tussen de druppel en de vaste wand. De auteurs van het artikel merken op dat het nieuwe model eenvoudig is en alleen geschikt voor een geschatte analyse, maar ze zijn van plan het op te nemen in een complexere 3D-simulatietool.

“Dit werk bevindt zich momenteel in de actieve fase. We zijn een experimentele opstelling aan het samenstellen om de verspreiding van de locatie en grootte van de druppeltjes in de zeespraywolk vanaf een schip te meten. We zouden extra inspanningen leveren om de snelheid van druppels te meten tijdens het uitvoeren van de grote experimenten. “Deze studies staan ​​in ons werkplan voor 2021”, zegt Dr. Chugunov.

Zodra het project is voltooid, verwachten wetenschappers een open-source numerieke code te krijgen voor realistische simulaties van golfimpact op een schip, om de voortplanting van zeewaterdruppels in koude lucht en hun afzetting op scheepsoppervlakken te simuleren.

“Dit numerieke instrument zou kunnen worden toegepast op verschillende soorten bestaande en toekomstige mariene constructies om ijsaanwas onder verschillende klimatologische omstandigheden te voorspellen. Voor bestaande constructies zou het plan voor risicobeperking voor ijsaanwasgebeurtenissen kunnen worden verbeterd. Voor toekomstige ontwikkelingen kunnen de vorm en De locatie van scheepsonderdelen kan worden gewijzigd om de effecten van ijsvorming op het functioneren van het schip te verminderen “, merkt Chugunov op.