Vad är betydelsen av fartygens bulliga båge?

Vakmönster som genereras av en liten båt. Foto: När ett fartyg svänger genererar det sina egna Kelvinvågor (de vågor man ser runt ett fartyg när det seglar på öppet hav) som visas i figur 1.

Visa det nu så här – vågorna är i princip energiformer som rör sig i vattenmediet. Varifrån kommer denna energi? Med andra ord, vem gav vattenpartiklarna energi för att bilda dessa vågor?

Det är fartygets rörliga massa som gör detta jobb. Lägg märke till ordet ”rörlig”. Fartygets rörelse drivs av dess framdrivningssystem. En del av den energi som levereras av motorn går till att rotera propellern, och i sin tur kommer en del av den dragkraft som genereras av propellern till användning för att faktiskt driva fartyget. Vart tar resten av energin vägen? Minns du att vattenpartiklar fick energi för att överföra vågor? Det är svaret. Detta kallas också för ett fartygs vågbildningsmotstånd.

Nu, varför diskuterar vi detta, och vad har detta att göra med en bullig båge? Läs vidare.

Tänk på ett fartyg med rak bog (till exempel Titanic). När fartyget svänger framåt rör sig vattenpartiklarna mot aktern längs hela fartygets längd. Men hur är det med den vattenpartikel som inträffar precis vid stävens mittlinje? Dess ögonblickliga hastighet är noll, vilket i vetenskapliga termer kallas för en stagnationspunkt. Om du minns Bernoullis ekvation kommer trycket vid en stagnationspunkt att vara högre. Trycket på vattenpartiklarna vid bogen är alltså högre, vilket ger upphov till vågens krön. Denna våg kallas för bogvåg, eftersom den genereras på grund av bogens rörelse i vattnet, vilket visas i figur 2. Med en rak fören bildas alltså alltid en våg kontinuerligt, med sin topp vid fören. Det är alltså uppenbart att vi slösar bort en del av motoreffekten på att generera denna våg. Vad händer om denna effekt av vågbildning kan minskas? Om ja, hur?

Om vi inför ytterligare en diskontinuitet (varje struktur i fartyget under vattenlinjen som stör det laminära flödet betraktas som en diskontinuitet) under vattenlinjen vid fören, framför fartygets stäv, kommer diskontinuiteten i sig själv att ge upphov till ytterligare en våg vid dess främsta punkt. Eftersom stäven fortfarande befinner sig vid vattenlinjen kommer den att generera normala bogvågor. Vad händer om vi kan utforma diskontinuitetens form och läge på ett sådant sätt att bogvågen och den våg som skapas av diskontinuiteten resulterar i en destruktiv interferens? (Se figur 3) Det är i stort sett principen bakom utformningen av en bulbous bow. Den destruktiva interferensen resulterar i att fartygets vågbildning minskar, vilket ytterligare minskar skrovformens vågbildande motstånd.

I de inledande skedena av utvecklingen av bulben var det primära uppdraget för konstruktionen att minska det vågbildande motståndet. Men när vi gick vidare kunde vi inte sluta gräva i mer intressanta aspekter som diskuteras nedan:

Vågbildning är en betydande egenskap hos finare skrovformer. Det är därför man ser framträdande Kelvin-vågformer på kryssningsfartyg, liners, yachter och kryssningsfartyg. Om man ser ett bulkfartyg eller en oljetanker (fullare skrovformer) är det uppenbart att dessa skrovformer inte uppvisar framträdande Kelvin-vågmönster. Varför? Därför att vattenlinjebredden vid själva stäven är så stor (eller med andra ord är diskontinuiteten i flödet större) att trycket stiger till en sådan nivå att bogvågshöjden överskrider den tröskel till vilken en våg behåller sina egenskaper. I detta fall bryter vågen direkt vid själva fören redan innan den färdas längs fartygets längd.

Är fullare skrovformer alltså mer energieffektiva i detta avseende? Nej. Har fullare skrovformer hög motståndskraft mot vågbildning? Nej. Har fullare skrovformar hög motståndskraft mot vågbrytning? Ja. Med denna tillämpning infördes även bulber i bulkfartyg och tankfartyg för att minska deras vågbrytningsmotstånd.

De olika typerna av bulber enligt deras former, positioner och inriktningar visas nedan :

Bulbans position påverkar väsentligt fasskillnaden mellan bogvågen och bulbvågen. Volymen på bulben är en avgörande faktor för amplituden på den resulterande vågen.

En annan fördel med bulben är att den minskar de dynamiska effekterna av ett fartygs pitchrörelse. I de flesta fartyg används bulbens inre som förspetsballasttank. Vid hög slagsida är förpikstanken ofta ballastfylld för att minska effekten av slagsida.

Hur? Jo, tidsperioden för nickning är direkt proportionell mot det längsgående avståndet mellan vikterna och fartygets LCG. När förpiken är ballastrad ökar vikten på ett större avstånd från fartygets LCG (som i de flesta idealfall är bakom mittskeppet). Med andra ord ökar gireringsradien för pitch, vilket ökar fartygets pitchperiod. Ökad nickperiod resulterar i mindre dynamiska effekter av nickrörelsen.

Vid isnavigering gör bulben det möjligt för bruten is att glida längs skrovet med sin våta sida mot skrovet. Isens våta sida har en lägre friktionskoefficient, vilket minskar fartygets totala dragkraft.

Bulliga bågar har också varit fördelaktiga när det gäller att inrymma bogpropellrar, vilket man kan se på moderna fartyg med bogpropellrar. I örlogsfartyg som använder högfrekvent undervattensakustik som SONAR fungerar bulbiga bågar som ett skyddande hölje, utöver de positiva effekterna av minskad dragkraft.

Efter upprepade modelltester av ett brett utbud av skrovformer och bulbformer har man funnit att bulberna inte är effektiva vid alla servicehastigheter (relatera det till Froude-värden). Vid mycket låga Froude-tal har bulbformade bågar visat sig öka luftmotståndet. Undrar varför? Därför att en bulb är effektiv endast när den skapar sin egen våg tillsammans med bogvågen. Men vid mycket låga Froude-tal uppstår knappast någon vågbildning. Men eftersom bulben fortfarande befinner sig under vattenlinjen ökar fartygets totala våtgjorda yta, vilket bidrar till att öka motståndskraften mot hudfriktion.

Over till dig?

Vet du mer om betydelsen av bulbformade fartygsbågar?