Je leest:

Vaarproeven in de sleeptank

Vaarproeven in de sleeptank

Auteur: | 1 november 1998

In Delft spelen ingenieurs met bootjes in een grote bak met water. Het Laboratorium voor Scheepshydromechanica herbergt twee sleeptanks waarin onderzoekers het gedrag van schepen op schaal bestuderen. Ondanks de inzet van geavanceerde computers blijft onderzoek in de sleeptank onmisbaar.

Met een lichte schok komt de wagen in beweging. Enkele tellen later rolt het platform met een gangetje van drie meter per seconde over een 145 meter lange bak met water. Midden onder de rijdende stellage, die vol staat met meetapparatuur, hangt een scheepsmodel in het water. Het op schaal gebouwde Surface Effect Ship doorklieft de golven die frontaal op het bootje afrollen. 23 meetkanalen pompen gegevens over bewegingen van en krachten op het model een computer in.

Veertig seconden later remt de hele stellage abrupt af en komt hij een aantal meter voor de golfgenerator tot stilstand. Pas een half uur later is het water in de sleeptank weer volkomen rustig. Het is dan tijd voor de volgende run met de sleepwagen van het Laboratorium voor Scheepshydromechanica bij de Technische Universiteit Delft.

Surface Effect Ship

Ir Joost Moulijn, die de zojuist beschreven run met de sleepwagen maakte, schreef voor zijn promotieonderzoek een computerprogramma dat variabelen voorspelt van het gedrag van een Surface Effect Ship. Zo’n boot lijkt nog het meest op een kruising van een catamaran met een hovercraft. Tussen twee rompen bevindt zich een luchtkussen dat aan de voor- en achterzijde door twee schorten wordt afgeschermd. Het luchtkussen heft het schip tijdens het varen uit het water. Moulijn controleert zijn programma door te meten aan een model in de sleeptank van het Laboratorium voor Scheepshydromechanica.

Het laboratorium maakt deel uit van de subfaculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek. In dit lab draait eigenlijk alles om twee sleeptanks – gigantische bakken met water – die hier staan opgesteld. De grootste is 145 meter lang, ruim vier meter breed en tweeënhalve meter diep; goed voor anderhalf miljoen liter water. Aan een kant van de bak staat een apparaat dat golven opwekt. De hoogte van de golven en de snelheid waarmee ze elkaar opvolgen, is naar wens in te stellen. Over de bak rijdt een sleepwagen: een platform op vier wielen. Het platform is volgebouwd met meetapparatuur, kabels, camera’s en computers. Het te testen model hangt midden onder de sleepwagen in het water.

Onder de sleepwagen hangt een model in het water van de 145 meter lange sleeptank. Ir Joost Moulijn test tijdens deze run het gedrag van een Surface Effect Ship.

Sleeptank

Instelling: Laboratorium voor Scheepshydromechanica, subfaculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek, Technische Universiteit Delft In gebruik: Sinds 1954 Afmetingen: 142,00 m x 4,22 m x 2,50 m (lengte x breedte x diepte), 1.498.100 liter Snelheid sleepwagen: Tot maximaal 7 m/s Golflengte: 0,30 – 6,00 m Exploitatiekosten per dag: ƒ 7500,– / 150.000 Bfr. Aantal mensen werkzaam bij de sectie Scheepshydromechanica: 18.

Projecten

Scheepshydromechanici vergaren kennis over het krachtenspel tussen schip en water. De toegenomen kennis van wiskunde en de ontwikkeling van computers zorgen voor steeds betere voorspellingsmodellen voor het gedrag van constructies op zee. Ir Hans Ooms, als elektrotechnicus reeds 28 jaar werkzaam bij de sleeptanks, legt uit waarom hier nog steeds wetenschappers een bootje door een lange bak met water trekken:

“Een computerprogramma kan vele, maar niet alle scenario’s voorspellen.” Een voorbeeld daarvan is het ‘worst-case’-scenario, waarin een schip of een platform een golf moet weerstaan die maar eens in de honderd jaar optreedt. “De statistiek voor het voorspellen van deze golven is erg moeilijk. In de sleeptank kunnen we zo’n situatie op schaal nabootsen.”

Onvoorspelbare situaties zijn niet de enige reden om de sleeptank te gebruiken. De laatste jaren kent de ontwikkeling van nieuwe ontwerpen een sterke groei. “Met computers en bestaande kennis kunnen we het gedrag van nieuwe schepen vrij nauwkeurig berekenen. Toch zul je zo’n computermodel moeten controleren. Dat kan met experimenten in de sleeptank. De meetresultaten gebruik je weer om het programma te verfijnen. We proberen voortdurend ons werk overbodig te maken, maar nieuwe kennis maakt ons werk telkens weer noodzakelijk”, aldus Ooms.

Een goed voorbeeld waarbij de berekeningen van een computerprogramma het laten afweten, is de Stena HSS. Deze 124 meter lange catamaran kan met een snelheid van 40 knopen (bijna 75 kilometer per uur) 1500 passagiers comfortabel vervoeren; zelfs door vier meter hoge golven. In september vorig jaar sloeg een golf precies tussen de twee rompen tegen de onderkant van het schip, terwijl het met de neus juist naar beneden dook. De kans op zo’n situatie is klein, de ravage – een over meters weggeslagen boegwand – was groot.

Soms vinden in de sleeptank ook bijzondere projecten plaats. Ooms vertelt gretig: “Een student van de Rijksuniversiteit Groningen stelde een wiskundige beschrijving van het gedrag van een boemerang op. Om de optredende krachten te beschrijven, is hij hier komen meten. We hingen de boemerang aan een as onder de sleepwagen en sleepten het ding draaiend door de tank. Omdat de dichtheid van water zo’n 800 keer groter is dan die van lucht, zijn de optredende krachten ook 800 keer groter. Dat levert een hoge meetnauwkeurigheid op.”

Kopje onder

Een run met de sleepwagen levert – afhankelijk van de snelheid van de wagen – gedurende 10 tot 20 seconden meetgegevens op. Na een run moet het water eerst volledig tot rust komen voordat de volgende run kan aanvangen. Als alles meezit, maakt een onderzoeker zo’n twintig runs per dag. Bij het uitblijven van meetfouten of storingen levert dat hooguit 400 seconden aan meetgegevens op. Voor een model met maar dertig metingen kan de klus binnen twee dagen worden geklaard. Projecten, zoals dat van Joost Moulijn, duren echter twee of drie maanden.

Ruud Onnink, experimentator van het lab, hoeft nauwelijks toe te lichten, dat gezien de korte meetduur van een run, het zaak is om alert en nauwkeurig te blijven. Onnink zorgt voor het experimentele deel van het onderzoek in de sleeptank. Hij stelt de hele meetopstelling op de wagen op. Dat vereist niet alleen kennis van elektronica en computers, maar ook betrokkenheid bij het doel van het experiment en het uitwerken van de meetgegevens.

Toch gaat het wel eens fout. Op de bodem van de Maasgeul bij Rotterdam liggen drempels. Door de geringe waterdiepte verandert bij zo’n drempel het gedrag van een schip. Dat heeft Onnink in de sleeptank ook ondervonden: “In de kleine sleeptank hadden we een dorpel aangelegd om het gedrag van een nieuw type tanker te bestuderen. Bij een run ging de sleepwagen echter te hard. Bij de dorpel aangekomen, zoog het model zich vast en ging verticaal ten onder.”

Niet alleen een model is eens kopje onder gegaan. Onnink grijnzend: “In de twintig jaar dat ik hier werk, heb ik één keer meegemaakt dat een student uitgleed en in de sleeptank viel. Toen hij bovenkwam, hield hij krampachtig een hand voor zijn oog. We vreesden voor wat daarachter schuilging, maar de pechvogel was zijn contactlens verloren.” De lens is nooit meer boven water gekomen.

Anker

Een schip maakt onder invloed van wind en zeegang verschillende bewegingen. Bij dompen, verzetten en schrikken verschuift het schip respectievelijk in verticale richting, zijwaarts en in de lengterichting. Daarnaast maken schepen ook draaiende bewegingen om de lengteas, de dwarsscheepse as en de verticale as (slingeren, stampen en gieren). In de jaren zeventig is veel onderzoek verricht naar het vergroten van de stabiliteit van schepen. Meer demping betekent minder slingeren, een beweging die voor bemanning en passagiers vervelend en voor de scheepslading zeer ongewenst is.

Demping is de nog minst bekende factor wat betreft de schaalwetten. Het is niet vreemd dat zich daardoor nogal eens ongewone situaties voordoen. Ooms vertelt in geuren en kleuren: "In de sleeptank onderzochten wij de demping van een model van de Smalagt – een oliebestrijdingsvaartuig – van Rijkswaterstaat. Aangezien de omschaling van demping nogal tricky is, wilden we dit ook op het schip zelf meten.

Op de bodem van het Haringvliet legden we een hoop oud ijzer. Daaraan hingen we het schip met een kabel vast. Met een kraan trokken we het schip scheef. Door de kabel snel te laten vieren, konden we de demping meten. Een kabel waarmee we het ijzer op zijn plaats hielden, brak echter. We speurden het ijzer op met een duikvaartuig en ondernamen nog een poging. De kabel brak opnieuw; de schipper had er genoeg van – einde oefening. Toen we een week later voor een andere meting weer op het Haringvliet rondvoeren, troffen wij daar tot onze verbazing de Smalagt aan. Via de mobilofoon hoorden we van de kapitein dat hij het ijzer zocht. Een ongeluk komt zelden alleen. Na doorvragen bleek dat hij tijdens het zoeken eveneens het anker was kwijtgeraakt."

Modellen

Voor een leek lijkt er op het eerste gezicht niet zoveel te gebeuren in de sleeptank. Toch is de bak water voor tachtig procent van de werktijd in gebruik. Het scala aan onderzoeken is zeer breed. Voor een deel geven derden opdracht tot onderzoek. Scheepsbouwers willen bijvoorbeeld weten welke motoren nodig zijn voor hun schip, hoe veilig een ontwerp voor een veerboot is, of hoe stormbestendig een boorplatform. De rest van de tijd wordt ingevuld met onderwijs en wetenschappelijk onderzoek, dat vaak in het verlengde van de projecten van de externe opdrachtgevers ligt. Practica vinden meestal in de kleine sleeptank plaats.

Elk project vraagt om een nieuw model, dat met de hand wordt gebouwd. Kees van de Bergh maakte ruim tien jaar lang de modellen. Van de Bergh begint elk model met het op elkaar plakken van een aantal dikke platen hout. De buitenromp modelleert hij met een speciale frees. Met een tekenarm die aan de frees zit, trekt hij lijnen op een lijnenplan na. De frees volgt die bewegingen en schraapt het model links en rechts tegelijk af. Tenslotte wordt de buitenkant geschuurd en gelakt.

Aangezien hout na verloop van tijd vervormt, maakt de modelmaker, wanneer dat nodig is, uitgaande van het houten model een polyesteruitvoering. Een polyestermodel is star en bovendien lichter. De meeste modellen meten ongeveer twee tot drie meter in lengte. Met loden blokken wordt de boot op het – naar schaal – juiste gewicht gebracht.

Onderhoud

Anderhalve miljoen liter water regelmatig verversen zou een tijdrovende en kostbare aangelegenheid zijn. Op de lange duur treedt echter in het voornamelijk stilstaande water van de sleeptank algengroei op. Met een aantal trucjes weet de afdeling Scheepshydromechanica dit binnen de perken te houden. Tweemaal per jaar wordt chloor aan het water toegevoegd. De ramen van het laboratorium zijn afgeplakt met een speciale folie die de UV-straling uit het daglicht filtert. Boven de sleeptanks hangen tl-buizen die een minimale hoeveelheid UV-licht afgeven.

Raster

Op de buitenkant wordt soms een raster getekend waarmee de onderzoeker de golfhoogte op de boeg afleest. Van de Bergh wijst naar zwarte pukkels op de romp van een model: “Door die aan te brengen kunnen we eenvoudig de weerstand van een model vergroten, zonder het model ingrijpend te verbouwen.” Kennis over de weerstand in water is onmisbaar.

Van de Bergh vertelt: “Een Zuid-Hollandse havenstad nam een catamaran voor rondvaarten in gebruik. De boot haalde echter maar de helft van de berekende snelheid. Bij de aanloop naar de topsnelheid konden de motoren een piek in de weerstand niet overwinnen.”

Dertig jaar geleden legden onderzoekers de gegevens nog vast op ponskaarten. Een computer verwerkte ’s nachts alle data. De volgende ochtend kon de onderzoeker pas vaststellen of hij een dag voor niets had gewerkt of niet.

Ir Johan Journee, wetenschappelijk medewerker, loopt hier al 35 jaar rond. “Sinds 1949 rekenen we aan scheepsbewegingen; sinds begin jaren zeventig doen we dat met een computer. De meeste essentiële kennis over scheepshydromechanica is ook in die tijd opgedaan. Nu verfijnen we onze kennis en rekenen we aan nieuwe concepten. Daarvoor hebben we telkens de sleeptanks nodig”, vermeldt Journee nadrukkelijk.

Wie rondloopt bij de sleeptanks van het Laboratorium voor Scheepshydromechanica krijgt sterk de indruk dat nog een ding nodig is. Zonder uitzondering zijn hier alle betrokkenen in gezonde zin gek op hun werk: experimenteren in de sleeptank.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 november 1998

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.