Seglande fraktfartyg gynnas av ny metod för minskat luftmotstånd

Forskare på Chalmers har demonstrerat en unik metod som minskar luftmotståndet hos fartyg med 7,5 procent. Det banar väg för stora fraktbåtar som drivs fram över världshaven enbart av vinden, eftersom fartyg med vindframdrivning påverkas mer av luftmotståndet än fossildrivna fartyg.

För att nå internationella klimatmål behöver sjöfartens koldioxidutsläpp minskas med mer än 50 procent till år 2050 jämfört med 2008 års nivåer. Idag drivs så mycket som 99 procent av den globala fartygstrafiken av fossila bränslen, och trots att elektrifiering idag är ett grönt alternativt för mindre färjor på kortare distanser sätter räckviddsproblematiken käppar i hjulet för en elektrifiering av större fartyg på längre distanser. Behovet av nya lösningar för energieffektiv framdrivningsteknik på haven är därför både stort och brådskande.

Forskare på Chalmers är nu först med att lyckas demonstrera en ny aerodynamisk metod som kan bana väg för en betydligt mer klimatsmart fartygstrafik. Med inspiration från en teknik hämtad från flyget har forskarna hittat ett sätt att minska luftmotståndet hos ett fartyg med 7,5 procent – vilket skulle ge betydligt högre energieffektivitet och därmed lägre bränsleförbrukning.

– För en oljetanker som går från Saudiarabien till Japan skulle detta innebära en minskning av bränsleförbrukningen med cirka tio ton, säger Kewei Xu, forskare inom marin teknik vid institutionen för mekanik och maritima vetenskaper på Chalmers. Minskning av luftmotståndet är ett fält som inte har studerats så mycket, och vår studie är en av de första av sitt slag.

Öppnar för vinddrivna fartyg
Forskarnas unika metod är särskilt relevant för fartyg som drivs av vind i stället för fossila bränslen. Vindframdrivning är ingen ny teknik i sig utan har funnits som en möjlighet i decennier, men det är först på senare år som tekniken återigen har börjat betraktas som högintressant.

Ett fartyg som drivs av vinden behöver en effektivare aerodynamisk design, eftersom det inte har en lika konstant och kraftfull framdrivning som ett fartyg som går på bränsle. Tidigare har den aerodynamiska effekten inte ansetts så viktig jämfört med fartygets sammanlagda motstånd i vatten – men när det gäller vindframdrivning kan alltså forskarnas metod skapa nya möjligheter.

– Under de närmaste åren kommer vi förmodligen att få se fartyg som kombinerar vind- och bränsleframdrivning, säger Kewei Xu. Men vår långsiktiga ambition är att göra det möjligt för till exempel fraktfartyg att ha vinden som enda kraftkälla.

Coanda-effekten gör att luftströmmen dras till kurvad yta
I centrum för metoden står den så kallade Coanda-effekten. Den beskriver en vätskas eller luftströms tendens att – likt vatten som rinner mot baksidan på en sked – dras till och strömma längs med en utåtbuktande (konvex) yta, i stället för att studsa bort från den.

En av huvudkällorna till ett fartygs luftmotstånd är den fyrkantiga baksidan av fartygets överbyggnad – den del som sticker upp ovanför däcket. Chalmersforskarnas nya metod framkallar Coanda-effekten runt detta område.

– Genom att skapa en design med konvexa kanter på fartygets överbyggnad, och låta högkomprimerad luft strömma ut genom smala luftöppningar, får vi Coanda-effekten att balansera ut lufttrycket på fartygskroppen. Detta reducerar i sin tur luftmotståndet avsevärt och gör fartyget mer energieffektivt, säger Kewei Xu.

Metoden, som kan användas även på befintliga fartyg, beskrivs i forskarnas studie Large eddy simulation of ship airflow control with steady Coanda effect som har publicerats i Physics of Fluids.

– Nu när vi kan visa att metoden kan minska luftmotståndet med 7,5 procent hoppas vi att fartygsindustrin ska få upp ögonen för den här lösningen, som en del av deras nödvändiga klimatomställning, säger säger Kewei Xu. Och vår studie visar dessutom att det finns stor potential för att minska luftmotståndet ännu mer genom ytterligare optimering.

Mer om: Metoden som åtgärd för att öka säkerheten för helikoptrar
Chalmersforskarnas nya metod kan också öka säkerheten för helikoptrar när de landar och startar på fartyg.
När luft strömmar ner från fartygets överbyggnad uppstår normalt sett turbulens, vilket destabiliserar helikoptern. Eftersom piloten måste landa och starta på en väldigt exakt plats på fartyget innebär detta allvarliga risker och det händer att helikoptrar kraschar. Idag används staket eller en anpassad form på fartyg för att minimera riskerna, men de är inte så effektiva.
Den nya metoden dämpar turbulensen ombord, eftersom den påverkar luften som strömmar ner bakom fartygets överbyggnad. Därmed skulle den minska olycksriskerna för helikoptrar.

Mer om: Coanda-effekten – inom jetflyg, ventilation och hårstyling
Coanda-effekten är uppkallad efter den rumänske uppfinnaren Henri Coanda, som var först med att använda fenomenet i flygplansdesign runt år 1910. Idag tillämpas effekten bland annat hos jetflygplan, där lyftkraften ökas genom att jetströmmen ”fäster” vid vingen. Coanda-effekten har betydelse för luft- och vätskeflöden i många olika sammanhang, exempelvis inom ventilation. Fenomenet har även hittat fram till hårstylingsbranschen, där det används i vissa produkter.

För mer information, kontakta:
Kewei Xu, postdoktoral forskare inom marin teknik vid institutionen för mekanik och maritima vetenskaper, Chalmers tekniska högskola, 0724-45 70 66, kewei@chalmers.se