La simulation avancée aide à résoudre l'eau de ballast

Oct 21, 2023

Par Tobias Zorn, Jan Kaufmann, FutureShip & Milovan Peric, CD-adapco 13 février 2013

La gestion des eaux de ballast pose des problèmes de conception et d'exploitation des navires. La dynamique des fluides computationnelle (CFD) offre des solutions avec conception, approbation de type et dépannage.

La dynamique des fluides computationnelle (CFD) désigne collectivement des techniques de résolution d'équations décrivant la physique de l'écoulement des fluides. La CFD est désormais largement connue et acceptée dans l'industrie maritime, mais principalement associée aux écoulements autour de la coque et des hélices, par exemple dans le cadre de la conception de navires plus économes en carburant. Cependant, la CFD est à bien des égards beaucoup plus polyvalente que les tests de modèles classiques. Le même logiciel peut être appliqué à une variété de flux, y compris également des problèmes de flux internes. Un avantage clé de la CFD est l'aperçu des détails des flux. Comme les quantités de flux sont calculées (et stockées) à de nombreux endroits discrets dans l'espace (cellules de calcul) et pour de nombreuses étapes de temps, il est facile en post-traitement de regarder des sections transversales arbitraires et de zoomer et dézoomer à volonté. Les systèmes de gestion des eaux de ballast sont passés sous les projecteurs pour les exploitants de navires avec les récentes réglementations de l'OMI qui conduisent la transition vers la gestion des eaux de ballast pour freiner la propagation des espèces envahissantes. Mais outre les particularités de la nouvelle réglementation, la gestion des eaux de ballast peut poser des défis aux exploitants de navires où les avantages des simulations CFD entrent en jeu. Les études de cas suivantes illustrent les problèmes et les solutions tirés de l'expérience de l'industrie.

Étude de cas 1 : Homologation de type basée sur CFD L'eau de ballast des navires transporte des plantes et des animaux qui s'installent fréquemment dans des régions maritimes étrangères, représentant un danger pour l'environnement aquatique indigène, causant potentiellement de grands dommages écologiques, sanitaires et économiques. Le trafic maritime croissant a considérablement accru cette menace. La "Convention internationale pour le contrôle et la gestion des eaux de ballast et des sédiments des navires" de l'OMI exige un plan de gestion des eaux de ballast. A partir de 2016, tous les navires devront baser leur gestion des eaux de ballast sur le traitement des eaux de ballast. Si ce traitement est basé sur des approches chimiques, un mélange rapide et efficace du composant chimique avec l'eau de ballast est vital pour obtenir une concentration homogène du biocide. Pour l'homologation de nouveaux systèmes, les simulations peuvent être un outil précieux. Dans un cas, FutureShip a simulé le mélange de chlore et d'eau de ballast dans les canalisations pendant l'opération de ballastage. Les simulations CFD ont été utilisées pour déterminer la longueur de tuyau requise de la zone de mélange pour assurer un mélange homogène. Les simulations ont montré que le mélange dans la conception initiale était inefficace. Des modifications très simples et rentables de la géométrie de l'entrée ont permis d'augmenter considérablement le niveau de turbulence avec une longueur de tuyau beaucoup plus courte pour un mélange complet. La figure 1 montre les lignes de courant de calcul et la concentration de chlore dans le tuyau de mélange résultant d'une telle simulation. Les autorités ont accepté les simulations comme preuve technique pour l'homologation de type.Étude de cas 2 : Sédiments des eaux de ballast Les sédiments ont tendance à s'accumuler dans les réservoirs d'eau de ballast. Ils réduisent le poids mort (charge utile), limitent le débit d'eau, retardant ainsi le déballastage et augmentent le tirant d'eau, ce qui entraîne une consommation de carburant plus élevée. Pour un vraquier Capesize, l'armateur souhaitait réduire l'accumulation de sédiments et a chargé FutureShip d'analyses détaillées et de suggestions de reconception afin de minimiser la sédimentation dans les ballasts. Dans ce cas, les sédiments réels n'ont pas été modélisés. Au lieu de cela, la perspicacité de l'ingénierie facilite la simulation. Les sédiments se déposent dans les régions où la vitesse de l'eau est faible, comme on en trouve généralement dans les zones de recirculation et de stagnation du débit ; celles-ci sont communément appelées régions d'eaux mortes. La figure 2 montre des sédiments dans un véritable réservoir d'eau de ballast. Les simulations en deux phases (eau et air) de l'écoulement dans les ballasts ont d'abord identifié les zones d'eau morte correspondant à l'accumulation de sédiments observée dans la conception d'origine. La figure 3 montre la distribution de vitesse calculée près de la paroi inférieure. Ensuite, diverses alternatives de conception pour les réservoirs d'eau de ballast ont exploré les variations d'espacement et de découpe des raidisseurs. Les simulations ont identifié la conception alternative avec le moins de dépôt de sédiments (c'est-à-dire les plus petites régions d'eaux mortes) pour les futures commandes de vraquiers.Étude de cas 3 : Déballastage des eaux de ballast Un terminal charbonnier très fréquenté d'Amérique latine avait fixé des délais stricts pour déballaster un vraquier à quai. La pompe de ballast aspirait de l'air pendant le déballastage, obligeant l'équipage à arrêter le déballastage par intermittence. En conséquence, le navire n'a pas pu être déballasté dans le délai imparti par le terminal. Le navire doit repartir avec 3000 t d'eau de ballast encore dans les cuves. En conséquence, 2600 t de cargaison n'ont pas pu être chargées, ce qui a entraîné des réclamations pour dommages de 125 000 € et le navire a été mis sur liste noire au terminal. Une analyse détaillée est souvent la première étape du dépannage. Une fois que le problème est devenu transparent, la solution est simple. Dans ce cas, la première étape a donc consisté à simuler le processus de déballastage, en établissant un modèle tridimensionnel des réservoirs d'eau de ballast et en imitant la pompe par un débit prescrit en sortie de tuyau d'aspiration. Le flux de sortie a été réglé sur la capacité maximale de la pompe. La simulation de l'écoulement diphasique a révélé que le niveau d'eau dans les champs voisins était beaucoup plus élevé que dans le champ avec prise de pompe de ballast lors du déballastage. La figure 4 montre les niveaux d'eau inégaux dans diverses sections de réservoirs. La taille des ouvertures d'écoulement d'eau dans les cadres longitudinaux était trop petite pour le taux de déballastage des pompes. La simulation fournit des informations sur le débit en fonction du temps à travers chaque ouverture et prédit l'heure à laquelle l'air commence à être aspiré par la pompe. L'animation du mouvement de la surface libre et de la distribution de la vitesse dans diverses sections transversales donne aux ingénieurs un aperçu direct de la physique de l'écoulement et permet une évaluation facile du problème, facilitant la conception des modifications géométriques nécessaires. Sur la base de l'analyse des données de simulation, des ouvertures d'écoulement d'eau plus nombreuses et plus grandes pour les cadres à proximité de la pompe ont été suggérées pour synchroniser les flux à travers les ouvertures avec le flux d'admission de la pompe. La taille et l'emplacement des ouvertures d'écoulement d'eau pourraient alors être déterminés de telle sorte que l'afflux vers la pompe soit supérieur au débit de la pompe, évitant ainsi le risque que la pompe prenne de l'air.Conclusion Les simulations CFD se sont avérées être un outil polyvalent et puissant pour soutenir la conception et l'exploitation des systèmes de gestion des eaux de ballast. La combinaison de logiciels de calcul avancés et d'utilisateurs experts donne des informations détaillées et des réponses fiables.

RemerciementsLes auteurs apprécient l'aide et la coopération de leurs collègues Volker Bertram et Jan Rüde.Méthode CFD La simulation a utilisé le logiciel CFD STAR-CCM+ de CD-adapco. Ce logiciel est capable de simuler un écoulement turbulent avec la formation de tourbillons et le mélange turbulent qui en résultent, ainsi que plusieurs fluides avec des interfaces liquide-gaz résolues. Il est ainsi capable de capturer toute la physique importante pour l'analyse des écoulements d'eau de ballast comme présenté ici. La méthode de résolution est basée sur des équations de conservation sous forme intégrale avec des conditions initiales et aux limites appropriées. Le domaine de solution est subdivisé en un nombre fini de volumes de contrôle qui peuvent être de forme polyédrique arbitraire et sont typiquement raffinés localement dans des régions de variation rapide des variables de débit. L'intervalle de temps d'intérêt est également subdivisé en pas de temps de taille appropriée. Les équations gouvernantes contiennent des intégrales de surface et de volume, ainsi que des dérivées temporelles et spatiales. Celles-ci sont approximées pour chaque volume de contrôle et niveau de temps à l'aide d'approximations finies appropriées, conduisant à un système d'équations algébriques qui peut être résolu efficacement sur un ordinateur multiprocesseur. Le flux est supposé être régi par les équations de Navier-Stokes moyennées de Reynolds. Les effets de turbulence peuvent être pris en compte par une variété de modèles, des modèles les plus simples de type viscosité turbulente (les modèles k- ou k- sont généralement utilisés) jusqu'aux modèles de contrainte de Reynolds. Ainsi, l'équation de continuité, l'équation de quantité de mouvement et entre deux et sept équations pour les propriétés de turbulence sont résolues. Des simulations à grande échelle, qui modélisent uniquement la turbulence à petite échelle et résolvent les tourbillons à grande échelle, sont également possibles. Des systèmes multiphases et multicomposants (eau-air ou eau-chlore dans les applications présentées ici) peuvent également être simulés. . La répartition spatiale des phases (liquide et gaz) est obtenue en résolvant une équation de transport supplémentaire pour la fraction volumique de chaque phase supplémentaire. Pour simuler avec précision le transport convectif de fluides non miscibles, la discrétisation doit être quasiment exempte de diffusion numérique. À cette fin, un schéma spécial de capture d'interface haute résolution (HRIC) est utilisé, fournissant une résolution nette des surfaces libres et permettant la simulation de l'écoulement avec des bulles de gaz piégées dans des blobs liquides ou liquides dans du gaz.

À propos des auteurs Dipl.-Ing. Jan Kaufmann et Dipl.-Ing. Tobie Zorntravaillent tous les deux en tant qu'ingénieurs de projet senior dans l'unité d'ingénierie Fluid Dynamics de FutureShip GmbH - une société Germanischer Lloyd à Hambourg, en Allemagne.Prof. Milovan Pericest vice-président - Technologie chez CD-adapco, un fournisseur indépendant de logiciels de simulation d'ingénierie axé sur la CFD et basé à Nuremberg, en Allemagne.

(Tel que publié dans l'édition de février 2013 de Maritime Reporter & Engineering News - www.marinelink.com)