Numerical Modeling of Ship-Ice Interaction in Brash Ice
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
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.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
89
Series
Abstract
As maritime activity expands into icy waters, understanding ship-ice interactions is essential for safe and efficient navigation. Brash ice channels, common in the Baltic Sea and other seasonal ice regions, present unique hydrodynamic challenges that impact ship performance. This thesis investigates ship-brash ice interactions using a coupled CFD-DEM framework to analyze contact dynamics and hydrodynamic complexity. Accurate numerical modeling of brash ice distribution is crucial, and different particle injection methods were evaluated. The random injector method significantly improves computational efficiency, reducing CPU time by 80\% compared to the part injector while maintaining accuracy in replicating real-world brash ice conditions. To further explore ship-ice impact dynamics, single-particle interactions with various ship geometries were analyzed. Results show that particle shape and size influence the forces exerted on the ship, though no consistent correlation with size was found. Proximity to the hull strongly affects induced forces by altering contact frequency. Additionally, different ship-like geometries were tested to examine their effects on the flow field. Notably, elastic collisions, influenced by the restitution coefficient, did not always result in higher impact forces. For rectangular and triangular ship-like shapes, particle contact was often reduced due to deceleration and deflection.Merenkulku lisääntyessä jäisillä merialueille, laivojen ja jään välisen vuorovaikutuksen ymmärtäminen tulee tärkeäksi turvallisen ja tehokkaan navigoinnin varmistamiseksi. Jäärännit, joita esiintyy yleisesti Itämerellä ja muilla yksivuotisen jään merialueilla, vaikuttavat laivan suorituskykyyn ja aiheuttavat ainutlaatuisia hydrodynaamisia haasteita. Tämä työ tutkii laivan ja rännijään välistä vuorovaikutusta yhdistetyn CFD-DEM-mallinnuksen avulla analysoiden kontaktidynamiikkaa ja hydrodynaamista vuorovaikutusta. Tarkka rännijään jakauman numeerinen mallinnus on ratkaisevan tärkeää, josta syystä työssä arvioidaan partikkelien injektiomenetelmiä. Satunnaisinjektorimenetelmä parantaa merkittävästi laskentatehokkuutta vähentäen suoritinaikaa 80 % verrattuna osainjektoriin. Samalla tämä injektointimenetelmä säilyttään tarkkuuden todellisten rännijääolosuhteiden jäljittelyssä. Laivan ja jään törmäysdynamiikan tarkempaa tutkimista varten työssä analysoitiin yksittäisten partikkelien vuorovaikutusta eri laivageometrioiden kanssa. Tulokset osoittavat, että partikkelin muoto ja koko vaikuttavat laivaan kohdistuviin voimiin, vaikka koon ja voimien välillä ei havaittu johdonmukaista korrelaatiota. Etäisyyden laivan runkoon huomattiin muuttavan kontaktien esiintymistiheyttä, jonka huomattiin vaikuttavan merkittävästi voimiin. Eri laivamaisia geometrioita testattiin myös, jotta niiden vaikutus virtausalueeseen voitaisiin selvittää. Huomionarvoista on, että kimmoisat törmäykset eivät aina johtaneet suurempiin iskukuormituksiin. Suorakulmaisilla ja kolmionmuotoisilla laivamaisilla rakenteilla partikkelien kosketukset vähenivät usein hidastumisen ja ohjautumisen vuoksi.Description
Supervisor
Suominen, MikkoThesis advisor
Mikkola, TommiPolojärvi, Arttu