Kraftfulle skvulp

Når væsker i bevegelse hamrer løs på en konstruksjon, hvordan beregner vi da effekten?

Forsker Paal Skjetne står ute på kontorgulvet og prater med en tusj i handa.

– Tenk deg at det er lørdag og kveldens vin står klar på bordet. Den mørkerøde væsken hviler rolig inne i flasken. Så fjernes korken og innholdet tømmes ned i ventende glass.

Han gjør en liten kunstpause før han slår ut med hendene:

– Når vinen strømmer ned i glasset, antar overflaten bølgeform: Den rynker og folder seg, dråper rives av…!

Foto: Helge Hansen / Statoil

Foto: Helge Hansen / Statoil

– Jøss, må innrømme at slik har jeg aldri tenkt på det…

«Et større skip som frakter LNG, kan ha fem store tanker på 30×40 meter og føre 250 000 kubikkmeter gass. Her bør det ikke skje ulykker.»

– Det kommer også inn luft, og overgangene blir veldig komplekse.

Skjetne skisserer noen bølgete flater på tavla, går et skritt tilbake og kikker på tegningen. – Her ligger utfordringen, sier han og peker:

– Slike «frie overflater», som vi kaller dem, lar seg vanskelig modellere med dagens simuleringsverktøy. Heller ikke hvordan materialet glasset er laget av og hvordan glassets geometri virker tilbake på væsken. Så hva gjør man da?

Skjetne setter seg, knepper hendene og smiler til meg over kontorpulten.

Klassisk problem

Det er vanskelig å forestille seg at en beskrivelse av vinskjenking kan illustrere store industrielle problem. Men slik er det. En klassisk utfordring i forskermiljø verden over er hvordan faste stoffer og væsker påvirkes gjensidig i det øyeblikket de treffer hverandre.

Bedrifter har behov for å få modellert hvordan bølgeslag virker inn på et skip, for å lage sikre konstruksjoner og best mulige skipsbauger. Og ved fare for brudd på tanken trenger de å få vite kreftene som en LNG-tank i et rullende skip utsettes for på grunn av innvendige bølgebevegelser. Innenfor fiskeoppdrett vil utstyrsleverandører vite hva fiskemerder som beveger seg i sterke havstrømmer, tåler. Og i bygningsbransjen vil man vite tidspunktet for når jordvoller som mettes med vann, vil bryte sammen.

Industrien har gjennomgående behov for å vite hvordan kreftene virker sammen, og de forventer at SINTEF skal kunne modellere dette.

Utgangspunkt i galaksedannelse

Vi må tilbake til slutten av 1970-tallet for å finne de første spede forsøk på forskningsområdet som kalles for «Smoothed Particle Hydrodynamics» (SPH). Den gangen ønsket forskere å modellere hvordan stjernetåker ble dannet.

– Siden dette hadde stor likhet med hvordan en gassky spres eller hvordan to væskedråper kolliderer, ble tanken født om at metoden også kunne benyttes på væskestrømning og senere faststoffmekanikk, forteller Skjetne.

Simulering av sloshing/bølgebevegelse i tank. Væsken samles ved hjelp av en barriere i ene delen av tanken. Barrieren fjernes raskt, og bølgen slår inn i motstående vegg.Foto: SINTEF IKT

Simulering av sloshing/bølgebevegelse i tank. Væsken samles ved hjelp av en barriere i ene delen av tanken. Barrieren fjernes raskt, og bølgen slår inn i motstående vegg.
Foto: SINTEF IKT

I dag er SPH en kjent metode innenfor spesi-aliserte miljø på universiteter, og et stort antall doktorgrader publiseres om metoden. Utfordringen er at de vanskelig kan sys sammen til et rammeverk som ulike fagområder kan utnytte.

Vi tar ballen

Rundt 2005 begynner også noen forskere fra SINTEF Materialer og kjemi å snuse på fagområdet. Paal Skjetne har nylig avsluttet et utviklingsprosjekt på en partikkelkode sammen med ikt-forskere i SINTEF. Kollega og petroleumsforsker Alexandre Lavrov henger seg på. Sammen utvikler de en oppskrift for hvordan de kan simulere oppsprekking av oljebrønner og slamtap. SPH blir en av brikkene i løsningen.

På forsommeren arrangerer SINTEF, NTNU og forskningsselskapet CSIRO – som regnes som Australias motstykke til SINTEF – en internasjonal konferanse om numerisk modellering av strømningsfenomener. Her holder et forskerteam en presentasjon som får nordmennene til å spisse ørene.

– Disse karene jobbet med SPH innenfor industrielle prosesser, og det de kunne vise fram, var så spennende at vi umiddelbart bestemte oss for å innlede et samarbeid. Kort tid etter fikk vi tilbud om å kjøpe kildekodene deres, forteller Skjetne.

Men gleden blir kortvarig. Etter en tid viser det seg at det blir for mange føringer på hva SINTEF kan bruke koden til. Og forhandlingene avsluttes.

– Vi hadde brukt litt over et år på å få på plass en avtale, og måtte rykke tilbake til start. Noe nedstemte satt vi rundt bordet. Så bestemte vi oss: Skitt! Vi tar ballen og lager noe selv!

Skjetne ler.

13 til bords

I dag – et par år etter – er arbeidet i gang. Å beregne vanskelige strømninger er blitt en konsernsatsing i SINTEF, og fram til 2013 er det satt av 18 millioner kroner.

Tretten personer fra seks ulike faginstitutt i SINTEF jobber med så ulike problemstillinger som bølgeslag i skipstanker, brudd i materialer, bølger og strømninger i fiskemerder og svekkelse av demninger. Tre dagers intense møter avholdes fire ganger i året. Mobil er bannlyst. Oppgaver er definert på forhånd. I tillegg kjøres det heldags arbeidsmøter annenhver uke – og elektroniske kommunikasjonskanaler brukes flittig.

– Alle bringer med seg ulike problemstillinger og kompetanse. Felles er de frie væskeoverflatene, de store materielle deformasjonene og at vi beveger oss i grensesjiktet mellom naturfenomen og ingeniørkunst, opplyser Skjetne.

Målet for gruppa er å lage et generisk rammeverk – en stamme eller et fundament som så kan spesialutvikles og skreddersys opp mot industriorienterte prosjekter.

– Det er mange om beinet. Store miljø i Frankrike, USA, Australia og Kina arbeider med ulike beregningsverktøy. Hvordan kan et lite miljø i Norge bli verdensledende?

– Fortrinnet er triangelet SINTEF–NTNU–norsk industri. Det er uvanlig at det brede fagmiljøet som SINTEF tilbyr, er koblet tett opp til industri og akademia, sier Skjetne. – Mens vår hverdag består i å finne løsninger på utfordringene industribedrifter sliter med, sørger store kull med nyutdannede NTNU-kandidater for at fersk forskning bringes ut i bedriftene hvert år. Dermed vandrer forsking og industri hand i hand.

Beregning uten holdepunkter

Så lenge et materiale deformeres lite, eller væskeoverflaten ikke blir for komplisert, går det altså greit å benytte de etablerte metodene (CFD og FEM) for å beregne væsker eller materialer.

Forskerne bruker da et beregningsnett der de setter opp detaljerte balanseligninger eller «budsjetter» for hva som strømmer inn og ut av alle volumene i nettet.

– Men når deformasjonene blir for store og de frie overflatene for komplekse, tar de tradisjonelle beregningene uforholdsmessig lang tid og kan bli unøyaktige, forklarer den ungarske forskeren Csaba Pakozdi på Marintek.

– Med SPH deles væsken inn i «partikler» med en gitt masse og volum. Partiklene beveger seg fritt, men ut fra regler som bestemmes av de lokale trykk- og tetthetsvariasjonene i væsken.

På Marintek arbeider forskerne med bølgeslag mot skipskonstruksjoner (slamming) og inne i tanker (sloshing), og Pakozdi sammenligner det første med å slå handflata ned i vannet.

– Fører du handa sakte ned, er trykket lite; smeller du den hardt nedi, kjenner du det svir, sier han.

Simulering av kollisjon mellom kopperprosjektil og vegg. Industrien bruker slike simuleringer til å forstå hvordan materialer oppfører seg når de utsettes for raske deformasjoner.Foto: SINTEF IKT

Simulering av kollisjon mellom kopperprosjektil og vegg. Industrien bruker slike simuleringer til å forstå hvordan materialer oppfører seg når de utsettes for raske deformasjoner.
Foto: SINTEF IKT

– Når LNG fraktes i tanker på skip, oppstår det ofte bevegelser i skipet som får væsken i tankene til å skvulpe, og her kan trykket på bølgene bli så stort at det kan ødelegge isolasjonsmembranen i veggen. Dette kaller vi sloshing. Med fulle tanker til enhver tid hadde problemet vært mindre. Men med avdamping og lossing i ulike havner blir tankene halvfulle og farlige.

Pakozdi viser meg bilder av en tank. Den har fellestrekk med en termos: stål ytterst, kryss-finer og skum i midten – og en tynn stålmembran innerst. Et større skip som frakter LNG, kan ha fem store tanker på 30×40 meter og føre til sammen 250 000 kubikkmeter gass. Her bør det ikke skje ulykker.

Marintek har etablert en «slosh-rigg» der et vannkammer på 1×1 meter er montert inn i en større ramme på 3×3 meter. Ved hjelp av åtte motorer kan riggen roteres i alle retninger, så forskerne kan teste vannets bevegelser i det lille kammeret.

– Tankene utgjør kanskje 1/5 av totallengden på skipet. Om du tenker deg skipskroppen bortover her, sier Pakozdi og peker til venstre i rommet, – og her – han peker i andre retningen, – får du en viss formening. Vi vil se på hvor stor kraft man kan få gjennom sloshing, sette dette inn i en dynamisk modell og så beregne: Vil det ta tjuefem eller hundre år før materialet brister?

Tilbake til vinen

Pakozdi viser en animasjon av fenomenet sloshing på video: Vi sitter andektig og ser flere ganger hvordan væskestrømmen skytes mot den ene veggen i tanken, støter mot veggen og slynges tilbake.

Uvilkårlig minner da dette om noe?

På telefon til Paal Skjetne må bare spørsmålet stilles: Er dette analogt med eksempelet med vin? Vil det si at også et rødvinsglass kan briste – om det teoretisk sett får for stor belastning av en «vinbølge»?

– Ja, teoretisk, medgir Skjetne. – Men jeg vil se den servitøren som greier det!