Simulation of ship-ice interaction in a brash ice channel
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2020-01-20
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
88+1
Series
Abstract
Recent increase of ship traffic at the Arctic regions have increased the demand to develop more efficient ways to estimate ship-ice interaction. Currently the most reliable method to study the ship-ice interaction is by conducting ice towing tank tests. However, these tests are rather expensive and are usually conducted at the end of the design process. The growth of computational power has made it possible to use numerical methods to model this interaction in addition to the traditional model tests and empirical methods. The use of numerical methods would allow more accurate investigation of ship-ice interaction already at the early design phase. This thesis aims to investigate the feasibility of a coupled computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM) approach to simulate ship-ice interaction in a brash ice channel. The main interest in the study is on the simulation of the ice block trajectories and in qualitative results. In addition, the ice resistance approximation of the numerical model is evaluated. The computations are divided into three steps: verification of the open channel flow, calibration of the coupled numerical method in a brash ice channel and finally the calibrated model is compared against experimental results. All the simulations are conducted by using a commercial software Star-CCM+. The results showed that the coupled CFD-DEM method is a promising tool to investigate ship-ice interaction. The results are in-line with other similar studies. The ice resistance results of the numerical model were promising, but there is still large differences between the simulated and experimental ice block trajectory results. Because the ship-ice interaction is a complex phenomenon that involves many parameters and factors, the model has noticeable uncertainties. Therefore, the numerical method needs more development and validation to improve the reliability of the results.Laivaliikenteen lisääntyminen arktisilla alueilla on lisännyt tarvetta tehokkaammille menetelmille mallintaa laivan ja jään välistä vuorovaikutusta. Tällä hetkellä luotettavimpia tapoja tutkia laivan ja jään välistä vuorovaikutusta on tehdä jäämallikokeita. Kokeet ovat kuitenkin kalliita, ja siksi ne yleensä suoritaan vasta suunnittelun loppuvaiheessa. Tietokoneiden laskentatehon kasvaminen on mahdollistanut numeeristen menetelmien käyttämisen tämän vuorovaikutuksen mallintamisessa perinteisten mallikokeiden ja empiiristen menetelmien lisäksi. Numeeristen menetelmien käyttäminen mahdollistaisi laivan ja jään vuorovaikutuksen tarkan mallintamisen laivan suunnittelun alkuvaiheessa. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia kytketyn laskennallisen virtausdynamiikan (CFD) ja diskreetinelementti menetelmän (DEM) soveltuvuutta laivan ja jään vuorovaikutuksen simuloimiseen. Tutkimus keskittyy simuloimaan jääpalojen liikeratoja sekä tutkimaan kvalitatiivisia tuloksia. Tämän lisäksi tarkastellaan mallinnetun jäävastuksen oikeellisuutta. Laskenta on jaettu työssä kolmeen osaan: avoimen jäärännin verifiointi, kytketyn menetelmän kalibrointi murskajäärännissä sekä lopuksi kalibroidun mallin vertailu mallikoetuloksia vastaan. Kaikki simulaatiot suoritetaan kaupallisella Star-CCM+ ohjelmistolla. Tulokset näyttivät, että kytketty CFD-DEM menetelmä on lupaava uusi työkalu arvioimaan laivan ja jään vuorovaikutusta. Tulokset ovat linjassa alan kirjallisuuden kanssa. Numeerisen mallin jäävastusarvio osoittautui lupaavaksi, mutta jääpalojen liikeradoissa on vielä paljon eroavaisuuksia mallikoetuloksiin. Koska laivan ja jään välinen vuorovaikutus on hyvin monimutkainen ilmiö, numeerisessa mallissa on paljon epävarmuustekijöitä. Tulevaisuudessa numeerista menetelmää täytyy vielä kehittää lisää ja validoida, jotta tulosten luotettavuus paranee.Description
Supervisor
Ruponen, PekkaThesis advisor
Mikkola, TommiSaisto, Ilkka
Keywords
CFD, DEM, ice resistance, brash ice channel
