A hajókban van valami különleges, valami olyan kisugárzás, ami csak egy nagyméretű járműben van meg. Nem olyan, mint egy autó, amibe az ember beleül és a belteret egy pillantással fel tudja mérni. Egy hajó, az más. Azt be kell járni, azt ki kell ismerni, sőt, akár el is lehet benne tévedni. Ha járt már nagyobb hajón, főleg régi hadihajón (mint például Temzén horgonyzó HMS Belfast) és megérintette a hely szelleme, tudja, hogy miről beszélek. Némelyik egy úszó város volt, akár 1000 ember otthona hónapokig.
Ma is épülnek nagy hajók, sőt. A HMS Belfast kifejezetten kicsi azokhoz a modern utasszállítókhoz képest, amelyek a tengereket több, mint 5000 emberrel a fedélzetükön szelik keresztül-kasul.
De vannak az olaj és gáziparban is nagy hajók. A többségük tanker, de építenek úszó olajfinomítókat és földgáz feldolgozókat is. Ez utóbbival kerültem kapcsolatba egyik munkám során és így alkalmam volt pár szimulációt elkövetni egy 355m hosszú, 58m széles, 21m-es merülésű óriáson.
Ez a cikk nem szólhat a valódi feladatról, de az előkészítések során készítettem pár tesztet, amin keresztül be lehet mutatni, hogy az SC/Tetra hogyan kezeli a hullámzó szabad folyadékfelszínt és a rajta úszó testeket.
Egy szoftver funkció tesztelése mindig egyszerű geometrián történik, hogy a szimuláció gyorsan lefusson és az esetleges hibák hamar kiderüljenek. Én sem bonyolítottam túl a modellt, úszó testként egy 350mm hosszú, 125mm széles és 100mm vastag fahasábot használtam, amely kezdetben a 100mm-es vastagságának feléig merül a vízbe. Az ábra a tesztként használt teljes szimulált rendszert mutatja és annak, hogy a kék színű víz és a felette lévő levegő is 4-4 darabból van összerakva jelentősége van.
Ugyanis a szimulációhoz szükség van egy olyan felületre, ahol a hullámok képződését definiáljuk (ez lesz a 2. és 3. térfogatrész közötti felület), illetve a be- és kiömlő keresztmetszetek előtt szükség van egy-egy térfogatra, ahol a hullámokat lecsillapítjuk (1. és 4. térfogat).
A csillapításra azért van szükség, mert előfordulhat, hogy a be- és kiömlő felületekről a hullámok egy része visszaverődik, ami ugye nem felel meg a valóságnak és a visszavert hullámok összezavarnák az előre meghatározott periódusú és magasságú hullámok által keltett hatásokat. A csillapítást a hullám energiájának csillapításával érjük el egy a felhasználó által paraméterezhető függvény szerint, amely a kijelölt térfogat hossza mentén egyre növeli a csillapítást úgy, hogy a be- és kiömlő keresztmetszetnél a hullámzás már teljesen szűnjön meg.
Hullámokat csillapítani már tudunk, most nézzük meg, hogyan kell őket előállítani. Az SC/Tetra a WGS (Wave Generation Source) módszert használja, amelyik egy mesterséges tömegcsökkentést vagy növelést alkalmaz az általunk kiválasztott, a szimulált rendszer belsejében lévő felület mentén.
A hullám periódusától és magasságától, illetve a vízmélységtől függően különböző típusú hullámokat állíthatunk elő, például:
- 5-öd fokú Stokes hullám,
- 5-öd fokú cnoidal hullám (aki tudja ennek a magyar nevét, legyen szíves megírni nekem, előre is köszönöm),
- kis amplitúdójú hullám,
- véletlenszerűen generált hullám.
Forrás: Wikipedia
Forrás: Wikipedia
A hullámok létrehozásán kívül ez a tesztfeladat szolgált további két lényeges tulajdonság kipróbálására. Az egyik, hogy a víz, amelyen a fahasáb úszik, 0.25 m/s sebességgel áramlik, a másik, hogy a fahasábnak csak bizonyos mozgásokat engedélyeztem, név szerint a rövidebbik – 125mm-es – oldalával párhuzamos tengelye körüli forgást és a függőleges irányú elmozdulást. Ezzel modelleztem azt a körülményt, hogy a nagy hajó az adott pozíciójában le van horgonyozva, tehát előre-hátra és oldalra nem (sokat) tud mozogni. Ellenben képes a billegésre és arra, hogy a vízfelszín függőleges irányú elmozdulását kövesse.
Az eredmény így néz ki:
Egy kis magyarázat azokhoz a jelenségekhez, amiket a videón látunk. A fahasáb első dolga, hogy annyira felmerüljön a víz felszínére, amennyire a sűrűsége és a felhajtóerő azt lehetővé teszi. Amikor a hullámzás elkezdődik, szépen követi a hullámhegyeket és völgyeket, de mivel a 0.25 m/s sebességgel áramló víz és a hullámok nem tudják eltolni, a homlokfelülete ellenállást jelent a víz számára és ezért a víz a felső felületére folyik. Amikor már a hullámzás elég intenzív és a hullámvölgyek elég mélyek, egy idő után annyi víz folyik a tetejére, hogy a hasáb előre bukik és ekkor a 0.25 m/s-mal áramló víz felborítja.
A magyarázat az alábbi ábrán folytatódik, ahol kék nyíllal jelöltem a hullám képződésének helyét. A két zöld nyíl a csillapításra használt térfogatok helyét mutatja, míg a piros nyíl egy olyan területet jelöl, amely esetén a szabad vízfelszín lejjebb süllyedt, mint számítottam, és így kilépett a kis méretű elemekkel hálózott hullámtérből.
Ha már a háló szóba került, a következő képen a hasáb és közvetlen környezetének hálója látható, ahol az elemek méretei és típusai alapján egyes területek jól elkülöníthetők. A folyadéktér és a légtér alaphálója egyszerű: ez az a terület, ahol elvileg csak víz, vagy csak levegő fordulhat elő. Az itt lévő elemek mérete (egy kis négyzet élének hossza) 4 cm. A két tér határán, azaz a nyugalomban lévő folyadékfelszín alatti és feletti hullámtérben 10-10 cm vastagságban összesen 20 rétegben helyezkednek el 1 cm vastagságú prizma elem rétegek, amelyek arra szolgálnak, hogy a hullámok 15 cm-es magasságát lefedjék és szép fázis határfelületet adjanak. Ebből a hálóból lógott ki az előző ábrán piros nyíllal jelölt folyadékfelszín rész.
Az úszó hasáb és az azt teljesen körülvevő burok (a szolga vagy angolul slave régió) a hullámtér hálójában úgy mozog, hogy a szilárd fázisú hasáb elemei a hasáb éppen aktuális pozíciójának függvényében átfedik a hullámtér (a mester régió) hálójának folyadék és gáz fázisú elemeit.
Az átfedéses technológia miatt az átfedett területek hálójának méretére és minőségére nagyon oda kell figyelni, ha a megoldó futtatása során nem akarunk kellemetlen meglepetéseket. Talán a legfontosabb szabály az, hogy a mester régió elemei azonos vagy kisebb méretűek legyenek, mint a szolga régió, azaz a hasáb és az azt körülvevő burok elemei.
Íme egy videó arról, hogyan viselkedik a háló a fahasáb mozgása közben.
Az itt kipróbált módszer tökéletesen működött a 355 m hosszú hajónál is, az eredményekben annyi eltéréssel, hogy a hajó nem bukott orra.
Dr. Dúl Róbert