National Transport Library Research Database

Digital aerodynamisk prediktion och stabilitetssäkerhet för att stärka vingsegels integritet under dynamiska fartygsrörelser (SafeWinds) Digital aerodynamics prediction and Stability safety for enhancing Wingsail integrity under dynamic ship Motions (SafeWinds)

  • Chalmers tekniska högskola AB, Universitet eller högskola, 556479-5598
Sponsors, duration, budget: Trafikverket ; 2026-01-01 -- 2028-12-31 ; 3 925 000 kronorRegistration number:
  • Trafikverket 2024/98491
Subject(s): Summary: Vindframdrivning för fartyg (WPS), särskilt styva vingsegel, har potential att lösa utmaningarna med bränsleförbrukning och föroreningar inom sjöfartsindustrin. Den kan användas som en assisterande eller primär framdrivningsenhet. Trots detta kvarstår kritiska problem med fartygsstabilitet och vingseglets dynamik för att garantera både säkerhet och framdrivningseffektivitet. Problem 1 - design och verksamhet Det har bedrivits begränsad forskning om samverkanseffekter mellan vingseglens prestanda och fartygets dynamiska rörelser (dvs. ostadig roll, pitch och yaw). 1) Den vertikala tyngdpunkten för hela fartyget flyttas uppåt av installerade vingsegel, vilket minskar stabiliteten. 2) Framdrivningskraft från vingseglen reduceras av fartygets transienta rörelser så att framdrivningseffektiviteten minskar och krafterna på vingseglen blir mer fluktuerande och orsakar strukturella fel. Samtidigt kan den stora sidokraften och det extra krängningsmomentet från vingseglen förvärra fartygsrörelserna och leda till stabilitetsfel. Dessa effekter på säkerheten kan bli katastrofala under extrema väderförhållanden, t.ex. höga vindhastigheter och vindbyar. Problem 2 - metod För att lösa WPS-problemen i det tidiga designskedet och vid senare manövrering krävs en digital prediktionsmetod. Metoder har utvecklats för att beräkna vingseglets aerodynamik vid föreskrivna krängningsvinklar, men de inkluderar inte dynamiska fartygsrörelser. Problem 3 – regelverk IMO:s MSC har utvecklat koder för fartygsstabilitet baserade på SOLAS-konventionen, med hänsyn till navigationssäkerhet och framdrivningseffektivitet. Men med tanke på WPS-frågorna bör 1) kriterierna för den rätande hävstången ändras; 2) det finns inga generella lösningar för att hantera dynamiska stabilitetsfel för olika fartygstyper, driftsprofiler och väderförhållanden. Övergripande mål SafeWinds-projektet syftar till att adressera ovanstående problem för två av de mest populära vingsegel koncepten genom samarbeten inom Chalmers, RISE, Oceanbird och Stena. Resultaten kommer att ligga till grund för säker navigering, utan att påverka framdrivningseffektiviteten. Syfte 1) Utveckla en ny digital hybridmetod för att koppla aerodynamik- och stabilitetsanalyser samt etablera bästa praktik. 2) Analysera koncepten halvmåneformad och två-element vingar, vilka har varit av stort intresse för den svenska industrin. 3) Identifiera riskförhållanden avseende vindhastighet, sidokraft, segelstruktur och fartygsrörelse mm. 4) Utveckla rekommendationer för navigationssäkerhet för WPS, för att komplettera IMO:s kriterier.Summary: There are remaining critical problems in ship stability and wingsail dynamics that adversely influence the safety and propulsion efficiency. Problem 1 – design and operation Limited research has been done to address interaction effects between wingsail performance and ship dynamic motions (i.e., unsteady roll, pitch and yaw). 1) The vertical center of gravity of the whole ship is moved upwards by installed wingsails, which reduces stability. 2) The thrust from wingsails is reduced by transient ship motions so that the propulsion efficiency is decreased, and the forces on the wingsails become more fluctuating to cause structural failures. Meanwhile, the large sideway force and additional heeling moment from the wingsails can aggravate ship motions, leading to stability failures. Problem 2 – method To overcome the WPS issues in the early design stage and later maneuvering, a digital prediction method is required. Numerical methods have been developed to compute wingsail aerodynamics at prescribed heel angles, while they do not include dynamic ship motions. There are few methods that can couple wingsail aerodynamic simulation to ship stability calculation. Problem 3 - regulatory framework IMO’s MSC has developed codes for ship stability based on the SOLAS convention, considering navigational safety and energy efficiency design index (EEDI). But, given the WPS issues, 1) the criteria for the righting lever should be amended; 2) general solutions are not available to deal with dynamic stability failures for different ship types, operational profiles, and weather conditions. This project aims to address the above problems for two popular wingsail concepts. Objectives 1) Develop a new hybrid digital method to couple aerodynamics and stability analyses, and establish best practices. 2) Analyze the concepts of crescent-shaped (CS) and two-element (TE, with a main wing and a flap). 3) Identify hazard conditions regarding wind speed, sideway force, sail structure, and hull motion, etc. 4) Develop suggestions for the navigation safety of WPS, to compliment the IMO’s criteria.
Item type: