Theoretical investigation on the effect of fluid flow between the hull of a ship and ice floes on ice resistance in level ice

Thumbnail Image

Files

isbn9789512288618.pdf (6.27 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Doctoral thesis (monograph)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
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.

Authors

Date

2007-09-21

Department

Department of Mechanical Engineering
Konetekniikan osasto

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

157

Series

TKK dissertations, 80

Abstract

The icebreaking capability of a ship in level ice is a very important concept for the designers of ice-going ships. The increase of ice resistance with speed is both due to the increase in the resistance forces with speed in the ice-breaking phase, which takes place at the waterline level, and in the sliding phase when the broken ice floes are submerged. The resistance of a ship in level ice as a result of the decrease in pressure between the hull surface and an ice floe when the ice floe is submerged is studied in this thesis. Three basic phenomena have been presented in the literature to explain the origin of the change of the pressure in the gap between the hull and an ice floe in the sliding phase: the ventilation phenomenon; the acceleration of water flow in the gap between the ice floe and the hull surface, and the flow of water to and from the gap as a result of changes in the geometry of the hull along the trajectory of an ice floe sliding against the hull. The research objective of this study was to study the effect of the last two phenomena on ice resistance in the sliding phase and to develop a calculation tool for this purpose. The CFD code Iceflo based on the hydrodynamic lubrication theory was written to calculate the flow in the gap between the hull surface and an ice floe. The following main conclusions can be drawn. The low-pressure phenomenon in the gap between the hull surface and ice floes may be caused by the inertia forces under favourable conditions or by changes in the height of the gap between the hull surface and the ice floes, or both. The force resulting from the pressure decrease in the gap between the hull surface and ice floes may be several times the force resulting from the static lift of the ice floes. This phenomenon has to be taken into account e.g. in friction panel tests. The resistance caused by the low pressure in the gap is higher than the resistance resulting from viscous forces in the gap. An inclined cylindrical bow form can be considered to be the optimal hull form for an icebreaking ship, concerning the low-pressure phenomenon.

Laivan tasaisen jään murtokyky on hyvin tärkeä käsite jäissä kulkevien alusten suunnittelijoille. Jäävastuksen kasvu nopeuden kasvaessa johtuu sekä vastusvoimien kasvusta jään murtovaiheessa, joka tapahtuu vesiviivan tasolla, että liukuvaiheessa, kun murretut jäälohkareet upotetaan. Tässä väitöskirjassa tutkitaan tasaisessa jäässä liikkuvan laivan jäävastusta, joka aiheutuu laivan runkopinnan ja jäälohkareen välisen paineen alenemisesta, kun jäälohkare upotetaan. Kirjallisuudessa on esitetty kolme ilmiötä upotusvaiheessa ilmenevän rungon ja jäälohkareen välisen paineen muutoksen synnyn selittämiseksi: ventilaatioilmiö, veden virtauksen kiihtyminen jäälohkareen ja rungon välisessä raossa ja veden virtaus rakoon ja raosta pois, joka johtuu rungon geometrian muutoksista runkoa vasten liukuvan jäälohkareen kulkureitillä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää kahden viimeksi mainitun ilmiön vaikutusta jäävastukseen liukuvaiheessa ja kehittää tätä tarkoitusta varten laskentatyökalu. Runkopinnan ja jäälohkareen välisen virtauksen laskentaa varten kirjoitettiin tietokoneohjelma Iceflo, joka perustuu hydrodynaamiseen voiteluteoriaan. Tutkimuksen tärkeimmät johtopäätökset ovat seuraavia. Runkopinnan ja jäälohkareiden välisessä raossa ilmenevä alipaineilmiö voi suotuisissa olosuhteissa johtua hitausvoimista tai runkopinnan ja jäälohkareiden välisen raon korkeuden muutoksista tai molemmista syistä. Voima, joka aiheutuu paineen alenemisesta runkopinnan ja jäälohkareiden välisessä raossa, voi olla useita kertoja suurempi kuin voima, joka aiheutuu jäälohkareiden staattisesta nosteesta. Tämä ilmiö on otettava huomioon mm. kitkapanelikokeissa. Raossa syntyvästä alipaineesta aiheutuva vastus on suurempi kuin raossa syntyvien nestekitkavoimien aiheuttama vastus. Kallistettua sylinterimäistä keulamuotoa voidaan pitää optimaalisena jäätämurtavan aluksen runkomuotona alipaineilmiön kannalta.

Description

Keywords

ice resistance, computational fluid dynamics, hydrodynamic lubrication theory, jäävastus, laskennallinen virtausmekaniikka, hydrodynaaminen voiteluteoria

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-009463

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG