Verification of vessel resistance in old brash ice channels through model scale tests
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2023-12-13
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
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
65 + app. 95
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 205/2023
Abstract
Winter navigation is vital for the societies and communities living close to the polar region to ensure the year-round security of supply. Winter navigation in the Baltic Sea is based on intergovernmental cooperation on icebreaker assistance and the Finnish-Swedish Ice Class Rules. The icebreaker fleet assists merchant ships with ice-classification by providing escort on request. The ship's eligibility for icebreaker assistance depends on the current traffic restrictions, which define the lowest allowed ice class and gross tonnage to acquire assistance. The ice class of the ship sets requirements for the minimum engine power for a ship, aiming to verify sufficient ice performance for the ship with specific ice class in an old brash ice channel, which is a typical operational condition for assisted ships. Model scale tests are an essential way to verify the ship's ice performance. Ship's performance in ice is one of the key factors in the winter navigation system, however, recent environmental standards have generated substantial changes in the merchant fleet bow shapes, meaning verifying model scale practices suitability in the new circumstances is crucial. This thesis investigates ship's resistance in frequently operated, old brash ice channels using experiments on brash ice and ship correlation tests in full scale and in model scale. Through analysing the processes forming the resistance and determining the forces contributing to the processes, it scrutinises the ice properties contributing to the forces. As the thesis shows, the current model scale test practices do not sufficiently simulate all substantial processes which contribute to ship's resistance in brash ice. The results indicate that the current practices are suboptimal for realistically and uniformly simulating ship's resistance: based on evidence from correlation tests, the model tests performed according to the current practices might overestimate the brash ice resistance of certain new bow types. To secure uniform and accurate ice performance predictions for all ice-classed ships, this thesis proposes a new approach for performing a model scale test in an unconsolidated old brash ice channel. The main discovery of the thesis is to show that realistic simulation of ship resistance in an old brash ice channel in physical model scale tests necessitates realistic simulation of brash ice fragment interaction. It does this through introducing a novel methodology for model scale simulations that improve the current problems of the modelling of ice-ice interaction. This leads to improved simulation of processes, which are related to displacing the brash ice mass sideways. The new scaling approach abandons the current practice of scaling down the ice flexural strength and proves that solid ice fragments more realistically model the interaction between the ice fragments when compared to traditional model ice with scaled-down strength. The understanding acquired within this thesis improves the performance predictions in brash ice channels.Talvimerenkulku on välttämätöntä huoltovarmuuden turvaamiseksi yhteisölle jäätyvien merialueiden läheisyydessä. Itämeren pohjoisosien talvimerenkulkujärjestelmä perustuu Suomen ja Ruotsin viranomaisten säätelemälle jäänmurtaja-avustukselle sekä Suomalais-ruotsalaisille jääsäännöille. Valtion hallinnoimat jäänmurtajat avustavat jäävahvistettuja kauppalaivoja vallitsevan jäätilanteen mukaan. Jäänmurtaja-avustusta säädellään liikennerajoituksilla, jotka asettavat kauppalaivoille jäänmurtaja-avustukselle vaaditun minimijääluokan ja -bruttovetoisuuden. Jääluokka puolestaan asettaa vaatimuksen rungon jäävahvistuksen ohella aluksen miniteholle, minkä tarkoituksena on turvata riittävä jäissäkulkukyky jäärännissä. Jääränni on tyypillinen operointiolosuhde avustetuille kauppalaivoille. Jäämallikokeet ovat tällä hetkellä paras menetelmä laivan jääsuorituskyvyn selvittämiseksi ennen laivan rakentamista. Talvimerenkulujärjestelmä perustuu oletukselle, että tiettyä jääluokkaa vastaa tietty jääsuorituskyky. Uudet ympäristömääräykset ovat aiheuttaneet muutoksia tyypillisten kauppalaivojen keuloissa, ja tällä saattaa olla vaikutusta tämänhetkisten mallikoemenetelmien soveltuvuuteen näille laivoille. Koska suorituskyky on keskeinen osa talvimerenkulkujärjestelmää, on tärkeää, että mallikoemenetelmät soveltuvat koko nykyiselle laivastolle. Tämä väitöskirja tutkii laivan vastusta jäärännissä käyttäen rännijään materiaalikokeita sekä laivan suorituskyvyn korrelaatiokokeita malli- ja täysmittakaavassa. Analysoimalla prosesseja, jotka vaikuttavat laivan vastukseen ja määrittämällä keskeiset prosesseihin vaikuttavat voimat, työ määrittelee, mitkä jään omimaisuudet ovat merkittäviä jäävastuksen muodostumisessa. Työ osoittaa, että tämänhetkiset menetelmät eivät riittävän hyvin simuloi kaikkia merkittäviä tekijöitä laivan rännivastuksesta. Korrelaatiokokeiden tulosten perusteella nykyiset menetelmät eivät sovellu hyvin eräiden keulamuotojen vastuksen arviointiin. Työ ehdottaa uutta menetelmää, joka soveltuu yhdenmukaisesti kaikille nykyisin käytössä oleville keulamuodoille. Väitöskirja osoittaa, että laivan rännivastuksen realistinen mallinnus jäämallikokeissa edellyttää jääkappaleiden välisen vuorovaikutuksen realistista mallintamista. Tämä johtopäätös saadaan suorittamalla jäämallikokeita erilaisissa mallijäissä ja vertaamalla näistä kokeista saatuja tuloksia täysmittakaavamittauksiin. Työn tuloksena kehitetty parannettu testimenetelmä pyrkii erityisesti parantamaan jäävastuksen osuutta, joka aiheutuu laivan keulan sivuille auraamien jääpalojen aiheuttamasta vastuksesta. Uusi menetelmä hylkää jään taivutuslujuuden skaalaamisen mallimittakaavaan ja todistaa, että kovat jääpalat edustavat paremmin jääpalojen välistä vuorovaikutusta täysmittakaavassa. Tämän väitöskirjan tulokset merkittävästi lisäävät ymmärrystä mallikokeiden soveltuvuudesta ränniolosuhteeseen.Description
Supervising professor
Kujala, Pentti, Prof. Emer., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Suominen, Mikko, Dr., Aalto University, Department of Mechanical Engineering - Academy Research Fellow, FinlandKeywords
model testing, brash ice channel, brash ice, jäämallikoe, jääränni, rännijää
Other note
Parts
- [Publication 1]: Matala, Riikka & Skogström, Toni. 2019. Soil mechanics measurement methods applied in model brash ice. Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions 25, 53. June 9-13, 2019. Delft, Netherlands. 12 p.
-
[Publication 2]: Matala, Riikka. 2021. Investigation of model-scale brash ice properties. Ocean engineering 225, 108539. 16 p.
DOI: 10.1016/j.oceaneng.2020.108539 View at publisher
- [Publication 3]: Matala, Riikka & Gong, Hanyang. 2021. The effect of ice fragment shape on model-scale brash ice material properties for ship model testing. Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions 26, 50. June 14-18, 2021. Moscow, Russia. 12 p. Received 7 January 2022; Received in revised form 31 March
-
[Publication 4]: Matala, Riikka & Suominen, Mikko. 2022. Investigation of vessel resistance in model scale brash ice channels and comparison to full scale tests. Cold regions science and technology 201, 103617. 15 p.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202206224180DOI: 10.1016/j.coldregions.2022.103617 View at publisher
-
[Publication 5]: Matala, Riikka & Suominen, Mikko. 2023. Scaling principles for model testing in old brash ice channel 210, 103857. 12 p. https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202304262879.
DOI: 10.1016/j.coldregions.2023.103857 View at publisher
- [Publication 6]: Matala, Riikka & Suominen, Mikko. 2023. Impact of new bow shapes in FSICR power requirements. Proceedings of the ASME 2023 42nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2023-102474, June 11-16, 2023. Melbourne, Australia. 8 p.
