Hvad er betydningen af skibes bulbøse bov?

En ting, der ofte fanger almindelige menneskers opmærksomhed i forbindelse med de fleste skibe, er den pæreformede fremspring i den forreste ende af skibet, ofte under vandlinjen. Der er ingen tvivl om, at du på et eller andet tidspunkt i dit liv har spurgt dig selv om årsagen til tilstedeværelsen af denne struktur. Da den generelt ligner formen af en pære og altid er placeret ved skibets bov, er den kendt som en pæreformet bov.

Lad os se tilbage til omkring hundrede år fra nu. Kan du huske Titanic? Du må have observeret, at det ikke havde en pæreformet stævn. Men prøv at tage et kig på stævnene på moderne krydstogtskibe, containerskibe, LNG-tankskibe, forskningsskibe osv. De er alle kendetegnet ved at have en pæreformet stævn. Ikke kun enskrogede skibe, i dag er næsten selv katamaraner udstyret med en pæreformet stævn i stedet for en lige stævn. Hvorfor?

Når et skib bølger, genererer det sine egne Kelvinbølger (de bølger, man ser omkring et skib, når det sejler på åbent hav), som vist i figur 1.

Se det nu på denne måde – bølgerne er i bund og grund vandreformer af energi i vandmediet. Hvor kommer denne energi fra? Med andre ord, hvem har givet vandpartiklerne energi til at danne disse bølger?

Det er skibets bevægelige masse, der gør dette arbejde. Læg mærke til ordet “bevægende”. Skibets bevægelse er drevet af dets fremdriftssystem. En del af den energi, som motoren leverer, går til at få propellen til at rotere, og til gengæld kommer en brøkdel af den fremdrift, som propellen genererer, til nytte for den faktiske fremdrift af skibet. Hvor går resten af energien hen? Kan du huske, at vandpartikler blev aktiveret til at sende bølger? Det er dit svar. Dette kaldes også et skibs bølgeskabende modstand.

Nu, hvorfor diskuterer vi dette, og hvad har det at gøre med en pæreformet stævn? Læs videre.

Tænk på et skib med en lige stævn (f.eks. Titanic). Når skibet bølger fremad, bevæger vandpartiklerne sig mod agterenden over hele skibets længde. Men hvad med den vandpartikel, som er hændelse lige ved stævnets midterlinje? Dens øjeblikkelige hastighed er nul, hvilket i videnskabelige termer er kendt som et stagnationspunkt. Hvis du husker Bernoullis ligning, vil trykket ved et stagnationspunkt være højere. Så trykket af vandpartiklerne ved stævnen er højere, hvilket giver anledning til bølgeskammen. Denne bølge kaldes bovbølgen, da den opstår som følge af bovens bevægelse gennem vandet, som vist i figur 2. Med en lige stævn dannes der således altid en bølge løbende med bølgespids ved stævnen. Det er således indlysende, at vi spilder en del af motorkraften på at generere denne bølge. Hvad nu, hvis denne effekt af bølgeskabelsen kan reduceres? Hvis ja, hvordan?

Hvis vi indfører en anden diskontinuitet (enhver struktur i skibet under vandlinjen, som forstyrrer den laminære strømning, betragtes som en diskontinuitet) under vandlinjen ved stævnen, foran skibets stævn, vil diskontinuiteten selv give anledning til en anden bølge på dens forreste punkt. Da stævnen stadig befinder sig ved vandlinjen, vil den frembringe normale bovbølger. Hvad nu, hvis vi kan udforme diskontinuitetens form og placering på en sådan måde, at bovbølgen og den bølge, der skabes af diskontinuiteten, resulterer i en destruktiv interferens? (Se figur 3) Det er stort set princippet bag udformningen af en pæreformet bov. Den destruktive interferens resulterer i en reduceret bølgeskabelse af skibet, og som yderligere reducerer skrogformens bølgeskabende modstandskraft.

I de indledende faser af udviklingen af bulben var designets primære opgave at reducere den bølgeskabende modstand. Men efterhånden som vi kom videre, kunne vi ikke lade være med at fordybe os i mere interessante aspekter, som diskuteret nedenfor:

Bølgeskabelse er en væsentlig egenskab ved finere skrogformer. Det er derfor, man bemærker fremtrædende Kelvin-bølgeformer på krydstogtskibe, linieskibe, lystbåde og flådekrydsere. Hvis man ser et bulkskib eller et olietankskib (fyldigere skrogformer), er det indlysende, at disse skrogformer ikke udviser fremtrædende Kelvin-bølgemønstre. Hvorfor? Fordi vandlinjebredden ved selve stævnen er så stor (eller med andre ord, at ujævnheden i strømningen er større), at trykket stiger til et niveau, så bølgehøjden ved stævnen overstiger den tærskel, indtil hvilken en bølge bevarer sine egenskaber. I dette tilfælde brydes bølgen lige ved selve stævnen, endnu før den bevæger sig langs skibets længde.

Så er fyldigere skrogformer mere energieffektive i denne henseende? Nej. Har fyldigere skrogformer en høj modstandsdygtighed over for bølgeslag? Nej. Har fyldigere skrogformer en høj bølgebrydende modstandskraft? Ja. Med denne anvendelse blev der også indført pærer i bulkskibe og tankskibe for at reducere deres bølgebrydende modstand.

De forskellige typer pærer i henhold til deres form, position og orientering er som vist nedenfor :

Bommens placering påvirker i høj grad fasedifferencen mellem bovbølgen og bulbbbølgen. Bulens volumen er en afgørende faktor for amplituden af den resulterende bølge.

En anden fordel ved bulben er, at den reducerer de dynamiske virkninger af et skibs pitchbevægelse. I de fleste skibe anvendes løgets indre som forspidsballasttank. I tilfælde af høj pitching er forpeak-tanken ofte ballast for at reducere effekten af pitching.

Hvordan? Jo, tidsrummet for pitching er direkte proportional med vægtenes afstand i længderetningen fra skibets LCG. Når forspidsen er ballastet, øges vægten i en større afstand fra skibets LCG (som i de fleste ideelle tilfælde er bag midtskibet). Med andre ord øges pitchradiusens rotation, og skibets pitchperiode øges derfor. En øget pitchingperiode resulterer i mindre dynamiske virkninger af pitchingbevægelsen.

Ved issejlads tillader bulben, at brudt is glider langs skroget med den våde side mod skroget. Den våde side af isen har en mindre friktionskoefficient, hvilket reducerer den samlede modstand på skibet.

Bulbous bows har også været fordelagtige til at rumme bovpropeller, som det kan ses på moderne skibe med bovpropellere. I flådefartøjer, der anvender højfrekvent undervandsakustik som SONAR, fungerer bulbous bows som et beskyttende hus, ud over de positive virkninger for reduktion af luftmodstanden.

Efter gentagne modelafprøvningsprocedurer af en lang række skrogformer og bulbformer er det blevet konstateret, at bulber ikke er effektive ved alle servicehastigheder (relater det til Froude-tal). Ved meget lave Froude-tal har bulbformede buer vist sig at øge luftmodstanden. Gad vide hvorfor? Fordi en pære kun er effektiv, når den skaber sin egen bølge sammen med bovbølgen. Men ved meget lave Froude-tal forekommer bølgeskabelse næsten ikke. Men da pæren stadig befinder sig under vandlinjen, øger den skibets samlede våde overfladeareal og bidrager derfor til at øge dets hudfriktionsmodstand.

Er det op til dig?

Ved du mere om betydningen af en pæreformet bov på skibe?