MARIN R&D VERSLAG 2013 (UIT JAARVERSLAG 2013)

MARIN R&D VERSLAG 2013 (UIT JAARVERSLAG 2013)

1 MARIN R&D VERSLAG 2013 (UIT JAARVERSLAG 2013) Gerapporteerd door : B. Buchner en H.J. Prins

2 INHOUDSOPGAVE Pagina 1 KENNISONTWIKKELING EN PROGRAMMAFINANCIERING... 3 1.1 Topsectorenbeleid van de overheid... 3 1.2 Update Technologieplan... 4 1.3 Programmafinanciering... 4 1.4 Vraaggestuurde programmering... 5 1.5 Resultaten onderzoeksprogramma s... 5 1.6 Budget overzicht... 9 1.7 Bijdrage aan Maritieme Kennisnetwerken... 10

3 1 KENNISONTWIKKELING EN PROGRAMMAFINANCIERING 1.1 Topsectorenbeleid van de overheid Het Topsectorbeleid van de overheid kent negen Topsectoren, waarvan de Topsector Water er één is. De Topsector Water wordt aangevoerd door het Topteam Water. Maritiem is één van de drie clusters van deze Topsector Water, naast Deltatechnologie en Watertechnologie. In 2013 is er een update gemaakt van het Maritiem Innovatiecontract. Het heeft de titel Nederland: de Maritieme Wereldtop (veilig, duurzaam en welvarend). De titel geeft aan dat de Maritieme cluster economische en maatschappelijke uitdagingen wil combineren. In de update is meer aandacht besteed aan het gebruik van schepen en de relatie tussen het schip en de infrastructuur, beide belangrijke onderwerpen voor MARIN. Verder is het belang van samenwerking en een geïntegreerde aanpak benadrukt. De nieuwe structuur van het Maritiem Innovatiecontract is hieronder weergegeven: Innovatie Agenda van de Maritieme Cluster S a m e n w e r k i n g e n I n t e g r a t i e Fundamenteel Toegepast Innovatie Winnen op zee Hydromechanica Research en onderwijs agenda van de Maritieme Cluster Maritieme operaties Schone Schepen Constructies en materialen Slim en veilig varen Systemen en processen Ontwerp en bouwtechnologie Effectieve Infrastructuur Impact op mariene omgeving Het Maritiem Innovatiecontract is een werkplan van de maritieme sector: wat willen we bereiken en waarom? Daarvoor is een Innovatie Agenda opgesteld rond de volgende innovatiethema s: Winnen op zee (grondstoffen- en energiewinning op zee). Schone schepen (brandstoffen, brandstofbesparing, emissies, onderwatergeluid). Slim en veilig varen (speciale schepen, slimme systemen, defensie, veiligheid). Effectieve Infrastructuur (interactie schip en infrastructuur havens en vaarwegen).

4 Veilig varen met slimme schepen in een effectieve infrastructuur is de kern van het Maritiem Innovatiecontract van Topconsortium voor Kennis en Innovatie (TKI) Maritiem Deze thema s vereisen onderzoek op de volgende maritieme kennisgebieden: Hydrodynamica Maritieme operaties Maritieme constructies en materialen Maritieme systemen en processen Maritieme ontwerp- en bouwtechnologie De impact op de mariene omgeving Het MARIN Technologieplan sluit aan bij deze doelstellingen. 1.2 Update Technologieplan In 2012 is er gestart met het opnieuw opstellen van het MARIN Technologie plan. Dit plan beschrijft de geplande technologische ontwikkelingen voor MARIN. Het opstellen van het plan heeft doorgelopen tot medio 2013. Allereerst is een globale indeling van programma s vastgesteld, met bijbehorende budgetten. De indeling is: Resistance & Propulsion Waves & Workability Manoeuvring & Nautical Operations @ Sea CFD Ice Time-domain simulations & control theory Deze indeling is gekozen om zo nauw mogelijk aan te sluiten bij het Maritiem Innovatiecontract. Per programma zijn missie en visie vastgesteld in ambitietabellen. Daarna zijn de visies uitgewerkt in concrete navigatieplannen die de komende jaren uitgevoerd moeten gaan worden. Deze navigatieplannen maken gebruik van alle financieringsvormen die MARIN heeft voor onderzoek: ARD, JIP s, EIP s, commerciële projecten, KSF projecten en promovendi via STW. Het R&D plan 2014 vloeit rechtstreeks voort uit deze navigatieplannen. 1.3 Programmafinanciering De programmafinanciering wordt aangewend om achtergrondonderzoek (ARD) uit te voeren en om gezamenlijk met industrie en kennisinstellingen in onderzoek te participeren (zogenaamde JIP s).

5 1.4 Vraaggestuurde programmering MARIN heeft een aantal lijnen waarlangs de vraagsturing wordt georganiseerd. Deze bestaan uit: De MARIN Adviesraad Overleg met de departementen Het MARIN R&D seminar MARIN Adviesraad De MARIN Adviesraad bestaat uit vertegenwoordigers van zowel het bedrijfsleven als de academische omgeving van MARIN, aangevuld met een onpartijdige voorzitter. De universiteiten en collega GTI s leveren 7 leden van de adviesraad. De 13 vertegenwoordigers van het Nederlandse bedrijfsleven zijn vertegenwoordigers van de MARIN Stakeholders Association (MSA). Via de MSA participeren de grote Nederlandse maritieme bedrijven in de vraagsturing bij MARIN. De Adviesraad heeft een belangrijke sturing in het Technologieplan en het R&D plan, zowel in vraagstelling en prioriteitstelling als in advies over de plannen aan de directie en Raad van Toezicht. De Adviesraad is in 2013 driemaal bijeen geweest. Naast de normale twee vergaderingen rondom het R&D jaarverslag en het R&D plan, was er een extra vergadering voor discussie omtrent het nieuwe Technologie Plan. Departementaal overleg MARIN heeft in 2010 samen met het ministerie van Infrastructuur en Milieu een workshop georganiseerd. In deze workshop zijn de wensen voor toekomstig onderzoek besproken. Een tweede workshop staat gepland voor het voorjaar van 2014. Voor het thema Defensie overlegt MARIN 2 tot 3 keer per jaar met Defensie, voor zowel de lange termijn programma s als de jaarprogramma s. R&D seminar Het MARIN R&D seminar heeft een tweeledig doel: kennisdisseminatie naar het brede Nederlandse bedrijfsleven (met speciale aandacht voor het MKB) en feedback van het Nederlandse bedrijfsleven op de MARIN R&D programma s. In 2013 is speciaal aandacht geweest voor nieuwe meettechnieken die MARIN recentelijk ontwikkeld heeft. Door dit onderwerp was er een ander publiek dan in het verleden: de opkomst bestond nu vooral uit bedrijven die meetapparatuur ontwikkelen en grote klanten. 1.5 Resultaten onderzoeksprogramma s Resistance & Propulsion Het programma Weerstand & Voortstuwing beslaat onderzoek naar powering performance, geluid en trillingen, brandstof besparing en ontwerp methodologie. Binnen

6 zowel de CRS als binnen MARIN wordt geprobeerd de speed-power predictie volledig op CFD te baseren. Het blijkt lastig te zijn om systematisch betrouwbare antwoorden te verkrijgen voor de voorspelling voor ware grootte. Verder lijkt het erop dat CFD aangeeft dat de extrapolatie van modelproeven snelheidsafhankelijk zou moeten zijn. Dit zal verder onderzocht worden in de nabije toekomst. Het onderzoek naar geluid en trillingen vindt plaats in een EU project, een JIP, en binnen de CRS. Zowel experimentele technieken, voor modelschaal en ware grootte, als numerieke technieken worden verder ontwikkeld om de nieuwe vragen van astrillingen en uitgestraald geluid te kunnen beantwoorden. De ontwikkelingen van de afgelopen jaren op het gebied van CFD en panelmethoden worden nu veelvuldig toegepast in JIP s. Onderzoek naar het ontwerp van schroeven, het ontwerp van brandstofbesparende aanhangsels en de voorspelling van cavitatie met CFD zijn allemaal onderwerp van gezamenlijk onderzoek met de industrie. Daarnaast worden de nieuwste experimentele technieken, gebruikmakend van het nieuwe DWB en de 6-componenten bladkracht-opnemers, ingezet om de invloed van ventilatie op schroefprestaties te bestuderen. Waves & Workability Binnen het programma Golven & Inzetbaarheid wordt onderzoek naar golven, zeegang, hydro-structural interactie en inzetbaarheid gecombineerd. Op het gebied van golfgeneratie in de basins is een onderzoek gedaan naar ongewenste 2 e orde effecten. Het blijkt dat de 2 e orde effecten groot kunnen zijn, terwijl de golf 1 e orde bedoeld was. De programmatuur voor het aansturen van de golfopwekkers in aangepast zodat lineaire golven ook daadwerkelijk lineair zijn. Het onderzoek naar gedrag in zeegang heeft zich gericht op het effect van de scheepsboeg op de scheepsbewegingen en de toegevoegde weerstand en op de voorspelling en het voorkomen van slingeren. Er is uitgebreid onderzoek gedaan naar de werking van anti-slinger tanks. Met behulp van de nieuwste CFD ontwikkelingen kon een bewegende anti-slinger tank nagebootst worden. Initiële validatie met oude metingen bleek niet helemaal tevredenstellend. Daarom zijn nieuwe metingen uitgevoerd en de correlatie lijkt nu veel beter. De nieuwe metingen zullen als een openbare validatie case worden gepubliceerd. In het recente verleden zijn in verschillende projecten experimenten uitgevoerd aan impulsieve golfbelastingen. Het afgelopen jaar is getracht een vereenvoudigd model op te zetten dat de belangrijkste fenomenen beschrijft. Validatie met de bestaande proeven liet zien dat het model de hoofdkarakteristieken beschrijft, maar dat ook een aantal fenomenen nog missen. Deze effecten zullen in de toekomst aan het model worden toegevoegd. Bijkomende conclusie is wel dat dit soort experimenten eigenlijk altijd onder gereduceerde luchtdruk moeten plaatsvinden in de DWB, omdat anders de schaling naar ware grootte niet correct is.

7 Vorig jaar is de eerste hand gelegd aan een nieuwe tool voor de berekening van inzetbaarheid van een systeem. Deze tool is gebaseerd op bestaande simulatie programma s van MARIN. De nieuwe tool is getest in een simulatie van een trans- Atlantische reis over een langere periode. Met de simulaties kon worden aangetoond dat er grote besparingen behaald kunnen worden als de reis optimaal wordt afgestemd op het weer. Manoeuvring & Nautical Manoeuvreren en nautische studies beslaat onderzoek naar het modelleren van krachten op schepen of constructies tijdens manoeuvres of in stroming, de invloed hierop door stuur systemen, veiligheidstudies en de invloed van de mens op veiligheid en prestaties. Een reeks van CFD projecten is uitgevoerd om de krachten op schepen en constructies te modelleren. Voor de eerste keer is REFRESCO gebruikt voor de berekening van een schip inclusief de golfvorming. Dezelfde tool is gebruikt voor de analyse van de invloed van roeren op de stroming en voor de interactie tussen schip en roer, schip en thruster en thrusters onderling. De resultaten zijn veel belovend, maar het proces van het uitvoeren van deze complexe berekeningen moet nog gestroomlijnd worden. Validatie materiaal voor dit soort complexe CFD berekeningen is vaak schaars. Daarom zijn er specifieke modelproeven uitgevoerd: manoeuvreren op ondiep water en stroom luwtes tussen schepen bij een side-by-side operatie. Bij deze series metingen is speciaal aandacht besteed aan herhaalbaarheid van de proeven en de onzekerheid van de resultaten. Deze bijzondere datasets zullen beschikbaar gemaakt worden als publieke validatie case. Bij veiligheidsstudies wordt meestal gebruik gemaakt van modellen gebaseerd op historische data, of bij real-time modellen op basis van actuele data. Voor beide gevallen is het belangrijk om driftende schepen te kunnen detecteren en hun gedrag te kunnen voorspellen. Er is een basismodel opgesteld om dit gedrag na te bootsen, maar validatie met AIS data heeft laten zien dat het gedrag van driftende schepen complexer is dan aangenomen. Verder is er gewerkt aan het risicomijdend gedrag van kapiteins. Het blijkt dat het bestaande model een te grote invloed van een risico op het gedrag van andere schepen voorspeld. In praktijk blijkt een schipper minder snel te reageren op schepen in zijn nabijheid. Het model is daarom aangepast.

8 Operations @ Sea Het programma Operatie op Zee bevat onderzoek naar het gedrag van meerdere schepen bij elkaar, Vortex Induced Motions (VIM) en Vortex Induced Vibrations (VIV) en naar alternatieve energie op zee. In de meeste numerieke studies die MARIN uitvoert, wordt meestal gebruik gemaakt van lineaire potentiaal theorie. Hierbij worden niet-lineaire effecten, zoals grote golven of bewegingen verwaarloosd. Er wordt nu een poging ondernomen om grote bewegingen in het horizontale vlak mee te nemen. Een quasi-statische methode is ontwikkeld, die hydrodynamische grootheden interpoleert uit een reeks van databases. Verder wordt gewerkt aan meer realistische aanpakken, waarbij de lichamen daadwerkelijk bewegen. Naast potentiaal theorie, wordt ook steeds meer gewerkt met CFD voor het berekenen van lokale, viskeuze effecten. Een voorbeeld hiervan is slingerdemping. Bij dit soort berekeningen blijkt al snel dat het rekendomein erg groot moet zijn. Daarom is gezocht naar een alternatief en dit is gevonden in het gebruik van de nieuwe mogelijkheid van deformerende roosters. Hierdoor zijn minder roosterpunten nodig en is de rekentijd veel lager. Bij de analyse van concepten voor duurzame energie winning op zee wordt vaak gebruik gemaakt van programma s die ontwikkeld zijn voor het ontwerp van schroeven en de analyse van offshore constructies. Zo wordt CFD gebruikt voor het modelleren van stroomturbines als een spin-off van het werk aan (ommantelde) schroeven. Verder is een standaard wind turbine ontwikkeld voor model testen. Deze wind turbine is niet geometrisch geschaald, maar zodanig dat de krachten van wind en golven correct geschaald worden. Tot slot worden de bewegingen van concepten voor de winning van golf-energie doorgerekend met ANYSIM. Specifieke validatie en tuning wordt uigevoerd voor deze bijzondere offshore constructies. CFD In 2012 is de CFD tool REFRESCO met veel nieuwe features uitgebreid. Daarom bestond het onderzoek van dit jaar ook voor een deel uit het samenbrengen van de nieuwe mogelijkheden en het testen van rekenprestaties van de code. Een nieuwe ontwikkeling is dit jaar geweest de toevoeging van deformerende roosters. Bij het simuleren van bewegende objecten in een stroming moet het rooster vervormd worden om nog goed aan te sluiten bij de lichamen. Allereerst is een algoritme

9 ontwikkeld om de roosters automatisch te kunnen vervormen. Daarnaast is de wiskundige benadering van fysieke grootheden aangepast, zodat rekening gehouden wordt met de beweging van het rooster. Het automatisch verfijnen en vergroven van een rekenrooster was in 2012 geïmplementeerd, maar moest in 2013 nog verder ontwikkeld worden. Belangrijk aspect was om de berekeningen in parallel uit te kunnen voeren. Dit lijkt nu te werken, maar in de nabije toekomst moet gekeken worden naar een goede verdeling van het rekenwerk over processoren, vooral bij grote verfijningen. Optimalisatie met behulp van CFD is mogelijk, als gebruik gemaakt wordt van de snelle CFD code PARNASSOS. De bestaande procedure PARNASSOS EXPLORER is uitgebreid met de mogelijkheid om het vrije-vloeistofoppervlak mee te nemen. Dit maakt het mogelijk om de lijnen van het schip te optimaliseren vlakbij het wateroppervlak, waarbij het stationaire golfpatroon wordt veranderd. Een eerste toepassing laat zien dat er inderdaad veel extra brandstof bespaard kan worden als optimalisatie van de waterlijn meegenomen wordt. Ice Het onderzoek naar ijs is nieuw binnen MARIN. Daarom is er veel aandacht besteed aan het opstellen van het navigatieplan. Daarna is er begonnen met eerste kennisopbouw. In het Concept Basin zijn testen uitgevoerd met kunstmatig ijs. Doel van de proeven was het bepalen van ijskrachten op een schip en op een schroef. Het bleek dat het kunstijs nuttig is, maar dat nog niet alle fysische eigenschappen van ijs goed gemodelleerd worden. Om in de toekomst trainingen te kunnen verzorgen voor operaties in ijs, is de simulator software uitgebreid met een eenvoudige modellering van ijs. Het ijsveld wordt in de simulator gemodelleerd op basis van een generieke classificatie. Eerste simulaties van een varend schip door ijs zijn uitgevoerd. Het bleek echter dat de simulaties niet altijd stabiel bleven. Dit is onderwerp van onderzoek in 2014. Time-domain simulations & Control theory Ook dit programma is nieuw binnen MARIN. Daarom is er eerst getracht een navigatieplan op te stellen en om samenwerking met universiteiten en TNO op te zetten. Daarnaast zijn eerste stappen gemaakt om het simulatie framework XMF uit te breiden met standaard componenten voor de modellering van controle systemen. Ook is er een nieuwe koppeling ontwikkeld om het simulator framework te koppelen aan andere simulatie tools en aan de MARIN meetsystemen. 1.6 Budget overzicht Voor 2012 was de totale R&D financiering opgebouwd uit de programmafinanciering van 3,835 miljoen vanuit het thema Topsector Water-Maritiem, 0,873 miljoen uit het thema Defensie. Hiermee kwam het totale bedrag voor de R&D projecten uit op 4,716 miljoen. Hiervan werd 1,090 miljoen gereserveerd voor de MARIN bijdrage in Joint Industry projecten en Joint Research projecten.

10 Overzicht van R&D onderzoek in 2013 Bedragen in x 1.000 Programma Realisatie Begroting Resistance & Propulsion 369 420 Waves & Workability 520 480 Manoeuvring & Nautical 388 375 Operations at Sea 319 363 CFD 475 470 Ice 215 190 Time-domain simulations - 75 Coordination & Cooperation 467 240 Totaal Programma's 2,753 2,613 Defensie 873 617 Totaal 3,626 3,230 Matching Fund 1,090 1,090 Totaal R&D 4,716 4,320 Programmafinanciering Thema innovatiecontract Topsector Water-Maritiem 3,733 3,703 Thema Defensie 873 617 Compensatie budget 102 - Totaal ontvangen programma financiering 4,708 4,320 Door MARIN gefinancierd 8-1.7 Bijdrage aan Maritieme Kennisnetwerken MARIN heeft de ambitie om op internationaal top niveau leidend te zijn op het gebied van nautisch en hydromechanisch onderzoek. Daarmee is een focus aangebracht in het werkgebied van MARIN. Daarbinnen is uitdrukkelijk gekozen voor voldoende kritische massa. Deze bundeling heeft veel voordelen in efficiency, maar vooral ook in bundeling van kennis en gereedschappen zodat de kritische massa ontstaat en beschikbaar is voor onderzoek. Samen met Nederlandse en internationale universiteiten wordt fundamenteel en toegepast onderzoek verricht om de kennis en gereedschappen voor de sector te ontwikkelen. Daarmee is MARIN toonaangevend in de wereld op het gebied van brandstofbesparing, veiligheid, werkbaarheid voor schepen, het ontwikkelen van nieuwe concepten voor de offshore en het ontwikkelen van nieuwe havens en vaarwegen. Daarnaast wordt in JIP s veel onderzoek samen met kennisinstellingen en industrie verricht. In deze projecten wordt de kennis en ervaring van onderzoeksorganisaties, universiteiten maar zeker ook het bedrijfsleven in nauwe samenwerking ingezet om de basis of achtergrond kennis beschikbaar te maken als toepasbare kennis of gereedschappen voor het bedrijfsleven. MARIN is actief in het organiseren van onderzoeksnetwerken op de verschillende markten, zoals de scheepsbouw, de offshore, de scheepvaart en de marines om wereldwijd partijen op verschillende onderzoeksgebieden bij elkaar te brengen.

11 Partnership is om deze redenen van groot belang. De focus van MARIN maakt het noodzakelijk om (international) samen te werken met andere kennisinstellingen of universiteiten om kennis en kunde te bundelen en de complexe en kennisgebied overschrijdende vraagstukken te kunnen beantwoorden. Het valoriseren van kennis maakt het noodzakelijk samen te werken met de industrie en/of overheid. Meer dan 80% van het fundamenteel en toegepast onderzoek binnen MARIN wordt gefinancierd door het bedrijfsleven. Daarnaast speelt MARIN een actieve rol in de maritieme cluster als initiator van JIP s en het agenderen van onderzoeksvragen. MARIN voert daarmee een open R&D-ontwikkeling. De resultaten van onderzoek worden gepubliceerd, voor zover er toestemming is van de opdrachtgever en er vindt disseminatie plaats naar de industrie. MARIN bezit geen octrooi of patent. Op nationaal niveau wordt (langdurig) samengewerkt met de volgende universiteiten en instellingen: TU Delft De zeer langdurige samenwerking met de afdeling Marine and Transport Technology binnen de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen (3mE) van de TU Delft bestaat uit het leveren van een buitengewoon hoogleraar (0.3 fte), het geven van gastcolleges, het begeleiden van studenten in een afstudeer- en promotietraject en het zitting nemen in examen- en promotiecommissies. Hiernaast wordt ook samengewerkt in projecten die door de industrie worden gesponsord en worden AIO trajecten door MARIN ondersteund. Verder wordt intensief samengewerkt met de faculteiten Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI) en Civiele Techniek en Geowetenschappen (CiTG). Universiteit Twente Ook hier heeft MARIN reeds een zeer langdurige samenwerking met de faculteiten Construerende Technische Wetenschappen, Technische Natuurwetenschappen en Electrotechniek, Wiskunde, en Informatica. Diverse afstudeerders hebben onderzoek verricht naar de modellering van cavitatie in berekeningen en in experimenten. Rijksuniversiteit Groningen De afdeling Wiskunde en Informatica heeft een langdurige samenwerking met MARIN op het gebied van de ontwikkeling van een instationaire Euler Solver (COMFLOW) voor groen water problematiek. Sinds 2010 is de samenwerking uitgebreid naar verbetering van de discretisatie technieken in ReFRESCO. Scheepsvaart- en transportcollege Met STC bestaan de contacten uit het beschikbaar stellen van stage- en afstudeerplaatsen en samenwerking op het gebied van het meten van menselijke prestaties tijdens simulatortrainingen. Hogescholen van Amsterdam, Utrecht, Rotterdam, en Arnhem en Nijmegen Met genoemde hogescholen bestaan de contacten uit het beschikbaar stellen van stage- en afstudeerplaatsen. Binnen het MKC wordt samengewerkt door TNO, TU Delft, Nederlandse Defensie Academie (NLDA), MARIN en Nederlandse leaderfirms door onderzoek af te stemmen, opleidingen op te zetten en gezamenlijk projecten te initiëren.

12 In een workshop vond kennisuitwisseling plaats tussen onderzoekers van MARIN en de Nederlandse Defensie Academie (NLDA) als startpunt voor verdere samenwerking in de toekomst MARIN participeert actief in de Nederlandse en de Europese innovatieprogramma s. In Nederland is MARIN instrumenteel geweest bij het tot stand komen van het innovatiecontract maritiem. In 2012 is dit contract verder uitgewerkt in het opzetten van het Topconsortium voor Kennis en Innovatie, dat door de MARIN directeur wordt voorgezeten. Daarnaast is veel energie gestoken in het opstarten van de STW call Maritiem 2013, waardoor veel ruimte is gecreëerd voor funderend lange-termijn onderzoek. In Europa speelt MARIN een belangrijke rol in ECMAR en in het Waterborne platform. ECMAR is de vereniging van toegepast maritiem onderzoek; MARIN is hier voorzitter. Via het Waterborne platform is MARIN betrokken bij het opstarten van een publiekprivate samenwerking op europees niveau, waardoor een soort MIP voor Europa zou ontstaan. Binnen de diverse EU projecten waar MARIN deel van uit maakt, wordt nauw samengewerkt met een groot aantal universiteiten. Daarnaast is er structurele samenwerking met: Instituto Superior Técnico, Lissabon HSVA Universiteit Newcastle Universiteit São Paulo Universiteit Southampton Ensieta (Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs des Etudes et techniques d'armement) SSSRI en CSSRC