Stroomlijnvisualisatie rondom de scheepsstructuur door middel van windtunneltesten met een scheepsmodel.
Vincent Snel
Kan Formule 1 bijdragen aan de gezondheid van de bemanning aan boord van gas- en chemicaliëntankers?
Sinds het verbod op testen tijdens het seizoen maken Formule 1 teams nog meer dan vroeger gebruik van windtunnels om hun auto’s te ontwikkelen. Is deze techniek ook bruikbaar om de gezondheid van bemanningsleden aan boord van schepen te verbeteren?
Gas- en chemicaliëntankers vervoeren allerlei soorten gassen en andere chemicaliën. Sommige zijn volkomen onschuldig, zoals plantaardige oliën (pindaolie, olijfolie); andere zijn zeer toxisch, zoals benzeen en tolueen. Bij het laden, lossen, schoonmaken en ventileren van de cargotanks van de onschuldige ladingen loopt de bemanning geen risico. Tijdens de ladingsoperaties van de toxische cargo’s echter is de bemanning normaal gesproken zo min mogelijk aanwezig op het dek om schadelijke gevolgen voor de gezondheid te vermijden. Maar hoe zit het met de gevolgen voor de gezondheid wanneer de bemanning zich binnen in de accommodatie of de machinekamer bevindt? Is de lucht die aangezogen wordt bij de inlaten van de airconditioning wel gezond genoeg, of kan dit verbeterd worden? Aan ladingsoperaties zelf kan er niet veel veranderd worden, bij het ventileren van de tanks komen er hoe dan ook ladingsdeeltjes vrij. Aan de inlaten van de airconditioning echter kan er wel iets veranderd worden. Als ze op plaatsen zitten waar tijdens de ladingsoperaties hoge concentraties bereikt worden, kunnen ze misschien beter elders geplaatst worden, waardoor de luchtkwaliteit binnen en de gezondheid van de bemanning verbeterd worden?
Deze tekst beschrijft onderzoek dat gedaan is in een lagesnelheid windtunnel, waar met behulp van een schaalmodel van een chemicaliëntanker, rookmachines en laserstralen de concentratie van de ladingsdeeltjes rond het scheepsmodel werd onderzocht.
Computermodellen zijn tot nu toe niet geschikt om de verspreiding en verdunning van contaminerende stoffen onder invloed van obstakels, in dit geval het kasteel van het schip, te berekenen. Daarom werd gebruik gemaakt van een schaalmodel van een chemicaliëntanker dat in de windtunnel geplaatst werd. In het eerste deel van de publicatie worden de windtunnel, het scheepsmodel, de rookmachines, de laser en de camera beschreven. Hierna worden de fysische voorwaarden behandeld waaraan moet voldaan worden om er voor te zorgen dat er gelijkvormigheid is tussen de testopstelling en de werkelijkheid. De voornaamste hiervan zijn het Reynoldsgetal Re dat de mate van turbulentie van de (lucht)stromingen in de windtunnel beschrijft, en de uitstroomsnelheid w van de rookdeeltjes. Ook wordt de grenslaag in de windtunnel behandeld. Dit is de overgangslaag tussen de vrije luchtstroming en het oppervlak van het scheepsmodel, waar de snelheid van de luchtstroming ten gevolge van wrijving tot nul herleid wordt.
In het tweede deel van het artikel wordt het eigenlijke onderzoek besproken. De bepaling van de relatieve intensiteit van de rookdeeltjes (die de ladingsdeeltjes simuleren) op verschillende plaatsen rond het scheepsmodel is de basis van het onderzoek. Dit wordt gedaan door de intensiteit van het weerkaatste laserlicht op de rook te onderzoeken. Tijdens elke proef werden er 369 foto’s van de testopstelling genomen: de windtunnel, het scheepsmodel en de rook. Van deze 369 foto’s wordt een gemiddelde foto bepaald. Aangezien de lichtintensiteit ook voor een deel bestaat uit gereflecteerd licht op de windtunnel en het scheepsmodel, wordt er eerst een achtergrondfoto gemaakt. Op die foto staan alleen de windtunnel en het scheepsmodel. Van deze foto wordt voor elke pixel de lichtintensiteit bepaald, die dan wordt afgetrokken van de intensiteit van de pixels op de gemiddelde foto. We houden nu per pixel de intensiteit over die het gevolg is van reflectie van het laserlicht op de rook: de gecorrigeerde intensiteit.
De gecorrigeerde lichtintensiteit per pixel is een maat van de hoeveelheid rook op die plaats. Verspreid rond het scheepsmodel zijn er 44 meetpunten. De relatieve intensiteit in één meetpunt is de gecorrigeerde intensiteit in het meetpunt gedeeld door de gecorrigeerde intensiteit bij de bron van de rookdeeltjes (de ladingstank tijdens de ladingsoperaties).
Bij het onderzoek zijn er veel verschillende camerastandpunten gebruikt. Hierdoor lijkt het scheepsmodel op de verschillende foto’s verschoven te zijn: naar links, naar rechts, meer boven of onder in de foto, kleine veranderingen in de camerahoek ten opzichte van het scheepsmodel… Om toch foto’s van verschillende proeven met elkaar te kunnen vergelijken werd de transformatiematrix T van de transformatie die het scheepsmodel onderging van de foto van een referentiereeks naar de andere reeksen bepaald. Deze matrix T werd vervolgens toegepast op de 44 meetpunten in de referentiefoto, om ze op de juiste plaats te kunnen zetten in de foto’s van de verschillende testreeksen.
Bij een eerste analyse van de verschillende testreeksen blijkt dat fouten zijn gebeurd bij de metingen, waardoor er meerdere metingen niet meer voldoen en dus niet beoordeeld kunnen worden. Er blijven vijf testreeksen over die beoordeeld worden. Bij drie van deze reeksen valt op dat de concentratie bij de meetpunten toeneemt wanneer de windsnelheid in de windtunnel verhoogd wordt. Dit is niet in overeenstemming met de verwachting dat hoe harder het waait, hoe meer de rookdeeltjes verdund en verspreid worden. Bij verdere analyse van de gemiddelde foto’s van de testreeksen blijkt dat bij deze testen de belichtingsomstandigheden veranderen. Hierdoor is de lichtintensiteit niet continu en lijkt het alsof de concentratie in de meetpunten toeneemt bij hogere windsnelheden.
Stel het kasteel van het schip voor als een groot huis met drie verdiepingen. De locatie van de inlaat van de airconditioning voor de accommodatie is dan op het dak van dat huis, en die voor de machinekamer is aan de achterkant van het huis, op de eerste verdieping, en de wind in de windtunnel waait tegen de voorkant van het huis. Uit analyse van de twee overgebleven testreeksen zien we dat op ‘het dak’ de concentratie van de rookdeeltjes (dus de toxische ladingsdeeltjes) relatief laag is. Bij de achterkant, meer bepaald bij ‘de achterdeur’ en ‘de eerste verdieping’ is de concentratie juist relatief hoog. Hieruit kunnen we concluderen dat de inlaat voor de accommodatie gunstig geplaatst is: hoog en ver van de bron verwijderd. De inlaat voor de machinekamer echter lijkt ongunstig geplaatst te zijn. Aan de achterkant van het kasteel wordt namelijk een gebied van lage druk gevormd waardoor hier de rookdeeltjes worden aangezogen en de concentratie verhoogd.
Windtunnelonderzoek kan dus zeker bijdragen aan betere werk- en leefomstandigheden voor de bemanning aan boord van schepen, maar de testmethode moet nog verder geoptimaliseerd worden, waarbij men vooral op de belichtingsomstandigheden dient te letten. Vervolgonderzoek is dus aangewezen.
