Fast simulation method for transient flooding of a ship

Abstract

This thesis studies the response of the ship and the floodwater motions in the transient stage of flooding. At the transient stage, i.e. immediately after the accident, when the water rushes into the ship, the ship may experience high roll angles or even capsize. The motions of the ship and the floodwater are coupled. A fast method for predicting the transient response of the motion of the ship in an abrupt flooding case was developed within this thesis. In the abrupt inflooding the initial flow through the opening on the side of the ship resembles dam-breaking type jet. The ship motion response, mainly roll, together with the inflooding jet excites the sloshing of the floodwater. Furthermore, the obstructions and openings inside the ship complicate the modeling of the flooding process. Previous studies on sloshing concentrate mainly on sloshing with a fixed amount of water around the equilibrium, i.e an even keel, position. In the flooding accident, the amount of water varies, water ingress can be violent and the motions can take place around a heel angle far from the even keel, zero angle. The simulation method for the flooding process needs to be capable of taking into account the variation in the amount of the floodwater, ingress jet and motions around an arbitrary angle. This thesis shows that the transient stage of the flooding can be modeled with a computationally efficient and simple method (lumped mass method with a moving free surface), provided the inflow momentum flux is taken into account. This is particularly important when a wide compartment free of obstructions is flooded. The traditional approach of a quasi-static or lumped mass method with a moving free surface without the inflow momentum flux can estimate the motion response of the ship to an abrupt flooding only for divided compartments where the openings in the dividing obstructions are small. When the opening size is increased, i.e. the obstructions are reduced, the results of the presented method and the traditional methods start to deviate from each other. The simulation method presented in this thesis can be applied to explore the impact of damage size, compartment layouts and the initial stability on the ship survivability.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan laivan liikevastetta ja vuotaneen veden liikkeitä vuodon transienttivaiheessa. Vuodon transienttivaiheessa, eli alkuvaiheessa veden syöksyessä osastoon, laivan keinuntaliikkeen vaste voi olla suuri tai laiva saattaa jopa kaatua. Laivan liike ja vuotaneen veden liikkeet eli loiskunta ovat kytkeytyneitä toisiinsa. Väitöskirjassa kehitettiin nopea laskentamenetelmä vuodon ja laivan liikevasteen simuloinnille äkillisessä vuototapauksessa. Äkillisessä vuototapauksessa veden sisäänvirtaus muistuttaa padonmurtumistapauksessa syntyvää suihkua. Laivan liikevaste, pääasiassa keinunta, yhdessä sisääntulevan virtauksen kanssa synnyttävät vuotaneen veden loiskuntaa. Tämän lisäksi osastossa olevat esteet ja aukot hankaloittavat merkittävästi vuodon mallintamista. Aikaisemmin loiskunnasta tehdyt tutkimukset ovat keskittyneet lähinnä loiskuntaan vakiovedenmäärällä osaston liikkuesssa pystyasennon ympärillä. Vuototapauksessa veden määrä osastossa muuttuu, veden sisääntulo saattaa olla erittäin nopeaa ja laivan keinuntaliikkeet voivat tapahtua suurenkin kallistuskulman ympärillä. Vuototapauksen laskennallisen menetelmän on pystyttävä mallintamaan muuttuva veden määrä, sisääntuleva virtaus ja keinuntaliikkeet kallistuskulman ympärillä. Tässä väitöskirjassa näytetään, että vuodon transienttivaihe voidaan mallintaa laskennallisesti tehokkaalla yksinkertaisella menetelmällä (keskitetyn massan menetelmä vapaalla tasonestepinnalla) kunhan sisääntuleva virtauksen tuoma liikemäärä otetaan huomioon. Tämä on erityisen tärkeää leveän ja avoimen osaston vuototapauksessa. Perinteiset kvasi-staattiset menetelmät tai keskitetyn massan menetelmät, joissa tasomainen vapaa nestepinta voi liikkua, mutta sisääntulevaa liikemäärää ei ole huomioitu, pystyvät ainoastaan mallintamaan vuototapauksen, jossa osastossa on huomattavia virtausta hidastavia esteitä tai osasto on jaettu useampiin ei-vesitiiviisiin tiloihin. Kun nämä esteet poistetaan tai osaston sisäiset aukot ovat suuria, tulokset perinteisten ja tässä tutkimuksessa esitellyn menetelmien välillä eroavat toisistaan. Tässä työssä esitellyllä simulointimenetelmällä voidaan tutkia vaurioaukon koon, osaston sisäisen jaon ja laivan alkuvakavuuden vaikutusta laivan selviytymiseen vauriotapauksesta.