Wat is het belang van de bolle boeg van schepen?

Een ding dat de gewone man vaak opvalt aan de meeste schepen, is de bolvormige uitsteeksel aan de voorkant van het schip, vaak onder de waterlijn. Er is geen twijfel over mogelijk dat u zich op een bepaald moment in uw leven hebt afgevraagd wat de reden is van de aanwezigheid van deze structuur. Welnu, omdat het in het algemeen lijkt op de vorm van een bol, en altijd geplaatst aan de boeg van het schip, staat het bekend als een Bulbous Bow.

Laten we eens terugblikken naar ongeveer honderd jaar vanaf nu. Herinner je je de Titanic? U moet hebben opgemerkt dat het geen bulbsteven had. Maar kijk eens naar de boeg van moderne cruiseschepen, containerschepen, LNG-tankers, onderzoeksschepen, enz. Ze worden allemaal gekenmerkt door een bolronde boeg. Niet alleen monohull schepen, tegenwoordig zijn bijna zelfs catamarans uitgerust met een bulbsteven in plaats van een rechte boeg. Waarom?

Wanneer een schip deint, genereert het zijn eigen Kelvin-golven (de golven die je rond een schip ziet wanneer het op open zee vaart) zoals te zien is in figuur 1.

Nu visualiseer het op deze manier- de golven zijn in feite reizende vormen van energie in watermedium. Waar komt deze energie vandaan? Met andere woorden, wie heeft de waterdeeltjes van energie voorzien om deze golven te vormen?

Het is de bewegende massa van het schip die dit werk doet. Let op het woord “bewegend”. De beweging van het schip wordt aangedreven door zijn voortstuwingssysteem. Een deel van de door de motor geleverde energie gaat naar het draaien van de schroef, en op zijn beurt komt een fractie van de door de schroef opgewekte stuwkracht van pas bij het daadwerkelijk voortbewegen van het schip. Waar gaat de rest van de energie naartoe? Weet je nog dat waterdeeltjes energie kregen om golven uit te zenden? Dat is je antwoord. Dit wordt ook wel Golfslagweerstand van een schip genoemd.

Nu, waarom bespreken we dit, en wat heeft dit met een bulbsteven te maken? Lees verder.

Neem een schip met een rechte boeg in ogenschouw (bijvoorbeeld de Titanic). Als het schip voorwaarts zwiept, bewegen de waterdeeltjes zich over de hele lengte van het schip naar de achtersteven. Maar hoe zit het met dat waterdeeltje dat precies op de hartlijn van de voorsteven valt? Zijn momentane snelheid is nul, wat in wetenschappelijke termen bekend staat als een stagnatiepunt. Als je je de vergelijking van Bernoulli herinnert, zal de druk op een stagnatiepunt hoger zijn. De druk van de waterdeeltjes bij de boeg is dus hoger, waardoor de top van een golf ontstaat. Deze golf wordt de boeggolf genoemd, omdat hij ontstaat door de beweging van de boeg door het water, zoals te zien is in figuur 2. Bij een rechte boeg wordt er dus altijd een golf gevormd, waarvan de top bij de boeg ligt. Het is dus duidelijk, dat we een deel van het motorvermogen verspillen aan het opwekken van deze golf. Wat als dit effect van golfvorming kan worden verminderd? Zo ja, hoe?

Als we een andere discontinuïteit aanbrengen (elke structuur in het schip onder de waterlijn die de laminaire stroming verstoort, wordt beschouwd als een discontinuïteit) onder de waterlijn bij de boeg, voor de voorsteven van het schip, zal de discontinuïteit zelf een andere golf doen ontstaan op het voorste punt. Aangezien de steven zich nog steeds op de waterlijn bevindt, zal hij normale boeggolven genereren. Wat als we de vorm en positie van de discontinuïteit zo kunnen ontwerpen dat de boeggolf en de golf die door de discontinuïteit wordt opgewekt, resulteren in een destructieve interferentie? (Zie figuur 3) Welnu, dat is zo ongeveer het principe achter het ontwerp van een bulbsteven. De destructieve interferentie resulteert in een verminderde golfslag van het schip, waardoor de weerstand van de rompvorm tegen golfslag nog verder afneemt.

In de eerste stadia van de ontwikkeling van de bulb was de voornaamste opdracht van het ontwerp de golfslagweerstand te verminderen. Maar naarmate we verder kwamen, konden we niet stoppen ons te verdiepen in meer interessante aspecten, zoals hieronder besproken:

Golfslag is een belangrijk kenmerk van fijnere rompen. Daarom zie je prominente Kelvin golfvormen in cruiseschepen, lijnboten, jachten, en marine cruisers. Als je een bulkcarrier of een olietanker ziet (vollere rompen), is het duidelijk dat deze rompen geen prominente Kelvin golfpatronen vertonen. Waarom? Omdat de waterlijnbreedte bij de voorsteven zelf zo groot is (of met andere woorden, de discontinuïteit in de stroming is groter) dat de druk zodanig toeneemt dat de boeggolfhoogte de drempel overschrijdt tot waar een golf zijn eigenschappen behoudt. In dit geval breekt de golf direct bij de boeg zelf, nog voordat hij over de scheepslengte is gegaan.

Zijn vollere rompen in dit opzicht dus energie-efficiënter? Nee. Hebben vollere rompen een hoge weerstand tegen golfslag? Nee. Hebben vollere rompen een hoge weerstand tegen het breken van golven? Ja. Met deze toepassing werden ook bollen geïntroduceerd in bulkers en tankers om hun golfslagweerstand te verminderen.

De verschillende soorten bollen naar vorm, positie en oriëntatie zijn zoals hieronder afgebeeld :

De positie van de bol beïnvloedt het faseverschil tussen de boeggolf en de bolgolf aanzienlijk. Het volume van de bulb is een bepalende factor voor de amplitude van de resulterende golf.

Een ander voordeel van de bulb is dat hij de dynamische effecten van de stampbeweging van een schip vermindert. In de meeste schepen wordt de binnenkant van de bulb gebruikt als voorpiekballasttank. Bij sterke pitching wordt de voorpiektank vaak geballast om het effect van pitching te verminderen.

Hoe? Welnu, de duur van het stampen is recht evenredig met de lengte-afstand van de gewichten tot de LCG van het schip. Wanneer de voorpiek wordt geballast, neemt het gewicht toe op een grotere afstand van de LCG van het schip (die in de meeste ideale gevallen achter de midscheeps is). Met andere woorden, de werpradius neemt toe, waardoor de werpperiode van het schip toeneemt. Een langere spoedperiode leidt tot minder dynamische effecten van de spoedbeweging.

In geval van ijsvaart laat de bulb gebroken ijs langs de romp glijden met de natte zijde tegen de romp. De natte kant van het ijs heeft een lagere wrijvingscoëfficiënt, waardoor de totale weerstand van het schip afneemt.

Bolbogen zijn ook voordelig gebleken bij het huisvesten van boegschroeven, zoals te zien is bij moderne schepen met boegschroefinstallaties. In marineschepen die gebruik maken van hoogfrequente onderwaterakoestiek, zoals SONAR, fungeren bolle bogen als een beschermende behuizing, naast de positieve effecten van weerstandsvermindering.

Na herhaalde modeltestprocedures van een breed scala van rompen en bolvormen, is gebleken dat bollen niet efficiënt zijn bij alle dienstsnelheden (relateer dit aan Froude-getallen). In zeer lage Froude-aantallen, hebben de bolvormige boeg gevonden om de weerstand te verhogen. Vraag je je af waarom? Omdat een bulb alleen effectief is wanneer hij zijn eigen golf maakt, samen met de boeggolf. Maar bij zeer lage Froude getallen, komt golfvorming nauwelijks voor. Maar omdat de bulb onder de waterlijn ligt, neemt het totale natgemaakte oppervlak van het schip toe, waardoor de weerstand tegen huidwrijving toeneemt.

Naar jou?

Weet jij meer over het belang van de bulbsteven van schepen?