An experimental study on the effect of speed on the ice resistance of a ship

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2010
Major/Subject
Laivanrakennusoppi
Mcode
Kul-24
Degree programme
Language
fi
Pages
83 s. + liitt.
Series
Abstract
The previous studies on the ice resistance of a ship have focused on speeds below 10 knots oven though icebreakers often move with higher speeds when ice is thinner. The effect of speed on the ice resistance is poorly known. One of the main reasons for this is that the effect of ice sheet on open water resistance is not known. The ice resistance is often divided into different components, for example into breaking submersion- and speed components, The relative magnitudes and speed dependencies of the components are not agreed on literature, especially the speed dependency of the breaking component is unclear in literature. The purpose of this work was to experimentally study the speed dependency of the breaking component and the restraining effect of ice sheet on the wave making of the ship, and also gather information about the ice breaking process on high speeds for future research. Visual observations of the breaking process were done by filming the bow of icebreaker Kontio in full scale tests in March 2009. The speed dependency of the breaking component was studied by performing model tests in level and presawn ice. The effect of the ice sheet on the wave making was studied visually from model test videos. Tests were performed in the lee tank of the Ship Laboratory in November-December 2009 with the model of icebreaker Otso (sister ship of Kontio). Tests were performed in two ice thicknesses (30 cm and 50 cm in full scale) with four different speeds (2 kn, 6 kn, 12 kn and 16 kn in full scale) in order to get the effect of ice thickness and have a broad speed range. Open water tests and tests in ice-free channel were also performed. According to model tests, the total resistance increases linearly with speed. The breaking component also increases linearly with speed. The ice sheet restrains the wave making and the restraining effect increases with ice thickness. The ice sheet could increase the pressure against the hull which could increase the viscous resistance. The presence of ice sheet increased the viscous resistance in ice-free channel tests. According to visual observations, the icebreaking process is different at high speeds (over 12 knots) than at lower speeds: ice rises up with the bow wave and makes contact with the hull at different locations and angles. It is possible that the bow wave breaks the ice before any contact with the hull, but this was not confirmed in model tests. As speed increases more crushing occurs and therefore its modelling in model ice is important. The superposition principle, which is used to determine the classical ice resistance, will cause errors on results and therefore the relative magnitudes of different components are unknown. Future research should focus on the interaction between open water and ice and also improve the model test scaling methods as the speed increases. Now the model tests gave too high resistance values compared to calculations or full-scale tests.

Aiemmat laivan jäävastusta koskevat tutkimukset ovat keskittyneet alle 10 solmun nopeuksiin, vaikka jäänmurtajat usein liikkuvatkin suuremmalla nopeudella jään ollessa ohutta. Nopeuden vaikutusta jäävastukseen ei tunneta kunnolla. Suuri syy tähän on se, ettei jääpeitteen vaikutusta avovesivastukseen tunneta kunnolla. Jäävastus jaetaan usein komponentteihin, esim. murto-, upotus- ja nopeuskomponenttiin. Eri komponenttien suhteellisia osuuksia jäävastuksesta ja nopeusriippuvuuksia ei ole esitetty yksikäsitteisesti kirjallisuudessa. Erityisesti murtokomponentin nopeusriippuvuus on kirjallisuudessa kiistelty asia. Tämän työn tavoitteena on tutkia kokeellisesti murtokomponentin nopeusriippuvuutta ja jääpeitteen vaikutusta laivan aallonmuodostuksen sekä saada lisää tietoa nopeuden vaikutuksesta jäänmurtoon. Murtoprosessia tutkittiin visuaalisesti kuvaamalla jäänmurtaja Kontion keulaa maalisuussa 2009 suoritetuissa täysmittakaavakokeissa. Murtokomponentin nopeusriippuvuutta tutkittiin suorittamalla mallikokeita tasaisessa sekä esisahatussa jäässä. Jääpeitteen vaikutusta aallonmuodostukseen tutkittiin videomateriaalin avulla. Mallikokeet suoritettiin Laivalaboratorion jäämallikoealtaassa marras-joulukuun vaihteessa vuonna 2009. Mallina käytettiin Kontion sisarlaiva Otson mallia. Kokeita ajettiin kahdessa eri jään paksuudessa (30 cm ja 50 cm täydessä mittakaavassa) neljällä eri nopeudella (2 kn, 6 kn, 12 kn ja 16 kn täydessä mittakaavassa). Lisäksi suoritettiin avovesikokeet sekä kokeita jäistä vapaassa rännissä. Mallikokeiden perusteella kokonaisvastus jäissä kasvaa lineaarisesti nopeuden funktiona. Samoin myös murtokomponentti kasvaa lineaarisesti. Jääpeite rajoittaa aallonmuodostusta, paksumman jään rajoittaessa aaltoja enemmän. Jääpeite saattaa kasvattaa laivan runkoon kohdistuvaa painetta, mikä puolestaan mahdollisesti kasvattaa viskoosivastusta. Avorännissä suoritetuissa kokeissa jääpeite kasvatti viskoosivastusta. Visuaalisten havaintojen perusteella jäänmurtoprosessi on suurilla nopeuksilla erilainen kuin pienillä: jää nousee keula-aallon mukana ylös, jolloin jään ja rungon välinen kohtauskulma muuttuu. Jään murskaantuminen lisääntyy nopeuden kasvaessa, joten sen mallintaminen mallijäähän on tärkeää suoritettaessa kokeita suurilla nopeuksilla. Klassista jäävastusta määritettäessä käytettävä superpositioperiaate aiheuttaa varmasti virheitä tuloksiin, eikä sen takia jäävastuksen eri komponenttien suuruuksia tunneta varmasti. Jatkotutkimuksissa on oleellista keskittyä jään ja avoveden väliseen vuorovaikutukseen sekä kehittää suurilla nopeuksilla mallikoetulosten skaalaamismetodeja täyteen mittakaavaan. Nyt saadut vastusarvot olivat liian suuria verrattuna laskennallisiin kaavoihin tai täysmittakaavakokeisiin.
Description
Supervisor
Kujala, Pentti
Thesis advisor
Leiviskä, Topi
Keywords
ice resistance, jäänmurto, breaking component, tasainen jää, wave making, jäävastus, speed dependency, nopeus, model tests, murtokomponentti, level ice, nopeusriippuvuus, presawn ice, mallikoe, high speed, esisahattu jää, aallonmuodostus
Other note
Citation