Fraktfartyg kan få bättre vind i seglen

Idag drivs 99 procent av den globala fartygstrafiken av fossila bränslen och för att nå internationella klimatmål måste koldioxidutsläppen minskas rejält.

För mindre färjor på kortare distanser är elektrifiering ett grönt alternativ, men problem med räckvidden sätter käppar i hjulet för en elektrifiering av större fartyg och längre transporter.

Ny metod minskar luftmotståndet

Forskare på Chalmers tekniska högskola har nu lyckats visa hur en ny aerodynamisk metod kan bana väg för en betydligt mer klimatsmart fartygstrafik.

Forskarna har inspirerats av en teknik hämtad från flyget och hittat ett sätt att minska luftmotståndet hos ett fartyg med 7,5 procent. Det 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. Minskning av luftmotståndet är ett fält som inte har studerats så mycket, och vår studie är en av de första av sitt slag, säger forskaren Kewei Xu på Chalmers.

Bättre aerodynamiska egenskaper krävs

Forskarnas metod är särskilt relevant för fartyg som drivs av vind i stället för fossila bränslen. Vindframdrivning är ingen ny teknik utan har funnits som en möjlighet i decennier, men det är först på senare år som tekniken återigen ses som intressant.

Ett fartyg som drivs av vinden behöver en effektivare aerodynamisk design. Det beror på att det inte har en lika konstant och kraftfull framdrivning som ett fartyg som går på bränsle.

Öppnar för vinddrivna fartyg

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.

Vatten som rinner längs baksidan av en sked påminner om hur luft- och vätskeflöden som påverkas av Coanda-effekten dras till en konvex yta. Men vid skeden är det inte Coanda-effekten som orsakar fenomenet, utan ytspänning och attraktion mellan vattenmolekylerna. Bild: Chalmers tekniska högskola

Forskarna använder Coanda-effekten

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 – alltså 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 även kan användas på befintliga fartyg, beskrivs i forskarnas studie.

– 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, Och vår studie visar dessutom att det finns stor potential för att minska luftmotståndet ännu mer genom ytterligare optimering, säger Kewei Xu.

Studie:

Large eddy simulation of ship airflow control with steady Coanda effect , Physics of Fluids.

Kontakt:

Kewei Xu, forskare inom marin teknik vid institutionen för mekanik och maritima vetenskaper, Chalmers tekniska högskola, kewei@chalmers.se