Forskare på Chalmers har demonstrerat en 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.

Illustration av hur ett fartyg som drivs av vinden skulle kunna se ut.

Forskare på Chalmers är nu först med att 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.

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 intressant.

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. Men vår långsiktiga ambition är att göra det möjligt för till exempel fraktfartyg att ha vinden som enda kraftkälla.

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.

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. Vår studie visar dessutom att det finns stor potential för att minska luftmotståndet ännu mer genom ytterligare optimering.

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.

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.

Filed under: SvenskTeknik