TalTech Kuressaare kolledžit ja selle teadus- ja arendustegevuse tuumikut, meretehnoloogia kompetentsikeskust, on tutvustatud ajakirja Paat & Merendus eelmistes väljaannetes. Kompetentsikeskus, mis asutati algselt eelkõige väikelaevaehitusega tegelevate ettevõtete arendustegevuse toetamiseks, jagab täna oma teadmisi ja taristut juba kogu merendussektorile laevaehitusest avamere tootmistegevuseni ning keskuse laborites saavad teadmussiirdel põhinevaid teenuseid kasutada ka teiste valdkondade ettevõtjad.

Samas on laevaehitusega seotud oskusteave ja sellel põhinevad tegevused endiselt meie tuntuimaks ja ka rahvusvaheliselt tunnustatuimaks pooleks. Koos tööstussektori vajadustega peab võrdse kiirusega arenema ka laevade projekteerimise ja disainiga seotud teadus- ja arendustegevus ning nagu kogu ettevõtluskeskkonnas, on siingi järjest suurem tähtsus digitaalsetel lahendustel.

Uute veesõidukite väljatöötamisel jõutakse ideedest ja joonistest tegelike merekõlblike alusteni läbi mitme etapi ning üheks olulisemaks mõõdupuuks on traditsiooniliselt olnud uue laevamudeli katsetused testbasseinis või veekogudes. Mudelkatsetused on alati vajalikud, aga ka kulukad, kuna eeldavad nii erinevate mudelite kui ka nende katsetamiseks vajalike tingimuste väljaehitamist ja muutmist vastavalt testide läbiviimisel saadud tulemustele.

Digiajastu avas siin aga täiesti uued võimalused. Sisuliselt saab tänaseks suure osa paatide ja laevade arendustegevusest ja disainist teha ära piisavalt võimeka arvutustehnika ning erinevate tarkvaradega, millest mudelkatseteni jõuavad juba veesõidukite piisvalt optimeeritud versioonid.

Digitaalse „laevaehituse" üheks põhiliseks aluseks on vedeliku või ka õhu ning selles asuvate kehade ja konstruktsioonide vastastikmõju kirjeldavad dünaamikaarvutused. Tegemist on eraldiseisva teadus- valdkonnaga, mille esmased teoreetilised põhimõtted pandi kirja juba sada aastat tagasi, kuid mille praktiline rakendamine sai täiesti uue hoo arvutiajastu saabumise ning kolmemõõtmelise modelleerimise võidukäiguga. Tänapäeval tuntakse seda vedelike mehaanika valdkonda lühendina CFD.

Mis on CFD?

CFD (ingl k Computational Fluid Dynamics) ehk arvutuslik vedelike dünaamika on nii teadusharu kui ka arvutusmeetodite kogum. Sõltuvalt lähenemisviisist on n-ö kergemaid ja raskemaid meetodeid. Kergemad meetodid lihtsustavad voolu, jättes vedaliku hõõrdetoime välja ning annavad tulemusi minutitega. Kuna enamasti on vaja arvutada reaalset voolu, st vedelikuvoolu koos hõõrdetoimega, tuleb kasutada raskemaid" meetodeid. Nendest üks levinumaid meetodeid on Reynoldsi keskmistatud Navier Stokes (Reynolds Averaged Navier Stokes - RANS) võrrandite lahendamine. Selles jagatakse uuritavad kehad, näiteks laev ja seda ümbritsev keskkond lõplikuks arvuks elementideks ehk kontrollmahtudeks.

Kuna laev opereerib õhu ja vee piiril, siis on arvutuskeskkond jagatud kaheks, veeks ja õhuks. Kui vastavad arvutusskeemid on valitud, arvutab CFD tarkvara numbriliste algoritmide abil vee ja õhu piiri ehk vabapinna kuju laeva vees käitumise parameetreid (takistus, sõidu asend, kiirendused jne).

Kus seda rakendatakse? 

CFD tarkvara kasutatakse kõigis tööstusharudes, kus tegemist on kas voolamise, soojuse või massi ülekandega. Lennukiehituses kasutatakse CFD-d selle kere takistuse ja tõstejõu arvutustes, rääkimata lennuki turbiinilabade disainist ja optimeerimisest. Siin ei saa ka mainimata jätta teisi turbomasinaid, kompressoreid, pumpasid, turbiine. Kõik need masinad leiduvad nii tarbetehnikas, nagu külmkapid või soojuspumbad, kui ka rasketööstuse rakendustes, nagu turbiinid hüdroelektrijaamades ja auruturbiinid soojuselektrijaamades. Veel üks hea näide on autoehitus, kus nähakse suurt vaeva, et optimeerida auto kere kuju ning vähendada selle õhutakistust, ja seega ka kütuse kulu.

Viimase 10-15 aasta jooksul on CFD saanud tööstuses asendamatuks tööriistaks. Seda eelkõige tänu arvutustehnoloogia kiirele arengule. Lauaarvutite protsessorid on kiiremad ja odavamad kui kunagi varem. Peale selle on olemas ka kobararvutid, kus protsessoreid ja tuumasid veel rohkem kui lauaarvutil. Töö, millele isegi võimsal lauaarvutil kulub 4-5 tundi, saab kobararvuti tehtud mõne tunniga või kiiremini. Tänaseks on palju teenusepakkujaid ja kobararvutite kasutuse hinnad on projektide eelarve mõttes väga mõistlikud.

Mida see praktilises elus juurde annab, kui palju ja kus on rahaline võit? 

Esiteks numbriline analüüs kordades kiirem kui mudelkatsed. Kui katsemudeli ettevalmistamine ja katsetamine võtab nädalaid või kuid, siis numbriliste simulatsioonide abil saab sarnaste tulemusteni jõuda päevadega.

Teiseks on numbriliste simulatsioonide abil võimalik analüüsida nähtusi, mis katsetingimustes on väga raskesti analüüsitavad. Näiteks rõhujaotus või voolujooned nii laeva kerel vee all kui ka pealisehitise ümber õhus.

Kolmandaks võimaldavad numbrilised simulatsioonid analüüsida laeva täies skaalas (mastaabis). Samal ajal saab aerodünaamilises torus õhutakistust otseselt mõõta vaid piiratud gabariitidega sõidukitel, nagu sõiduauto, jalgratas või mootorratas koos ratturiga, äärmisel juhul kaubaveok (reka). Selline aerodünaamiline tunnel, kus tekitatakse ventilaatoriga tuult kiirusega üle 120 km/h, maksab ilmselgelt miljoneid ning müüb oma teenuseid kümnete tuhandete eurode eest. Ülejäänud suuremaid sõidukeid tuleb seega katsetada mudelskaalas, mis omakorda tekitab probleeme, eriti laevade puhul. Laevade puhul ei ole võimalik saavutada täielikku dünaamilist sarnasust mudelkatses, see tähendab, et Froude ja Reynoldsi numbrid oleksid mudelil ja laeval võrdsed. Tuleb valida, kas modelleerida laeva kiirusega, mille juures on selle ümber sarnane laineprofiil või et hõõrdenähtused oleksid sarnased. Seega tuleb ka mudelkatses teha lihtsustusi. 

Tuleb meeles pidada, et nii mudel- katsetes kui ka numbrilistes simulatsioonides tehakse lihtsustusi. Otseselt laeva takistust mõõta ei saa, ideaalselt täpne simulatsioon võtab liiga palju aega. Seda saab hinnata ligikaudselt.

Viimaks on numbrilised simulatsioonid ka odavamad. Mudelkatse seeria (mudeli tootmise ja selle katsetamisega näiteks kümme kiirust kahel süvisel, kokku kakskümmend takistuse väärtust) hind on suurus järgus 25 000-45 000 €. Samade tulemuste saamiseks tuleb inseneril ühe päeva jooksul sättida simulatsioone, 12-24 tundi jooksutada need kobararvutis ning veel üks päev tegeleda tulemuste analüüsi ja raporteerimisega, kokku 2-3 tööpäeva ning see maksab 4000-6000 €.

Millised paaditootjad on teie juurde oodatud? 

Oodatud on kõik! TalTech Kuressaare Kolledži Meretehnoloogia kompetentsikeskus on CFD valdkonnas Eestis juhtivaks koostööpartneriks ning kõik, keda oma teadmiste ja kogemustega aidata saame, võivad ühendust võtta meie kontaktidel, mille leiad kodulehelt: https://taltech.ee/kuressaare-kolledz/meretehnoloogia-kompetentsikeskus.