A computational fluid dynamics analysis of ship-to-shore crane wind coefficients
URL
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.
Authors
Date
2021-09-09
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
ENG25 Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
56 + 12
Series
Abstract
Ship-to-shore (STS) cranes are used to load and unload containerized cargo from the vessels. The STS cranes are the highest structures in ports which expose them to under heavy wind loads. The heavy wind loads are especially attained under storm wind conditions which can cause fatal damages to the cranes. The wind loads are typically estimated by a wind tunnel test. However, this is time-consuming and expensive. Thus, alternative methods are under development; one of these is computational fluid dynamics (CFD). In this thesis, wind coefficients of one of the largest STS crane designs were studied with CFD. Computations were performed using Star-CCM+ in a three-dimensional domain. Simulations were executed for three different boom positions: Normal operation (0°), storm lock (45°), and maintenance (80°). The wind coefficients were calculated on only one side of the crane with a 15° interval. This covered all interesting wind directions including back wind, side wind, and the worst wind direction. The wind coefficients were compared to the small-scale wind tunnel test which geometry was equal to a CFD analysis. Additionally, the results were verified with previous studies. The results revealed that the CFD analysis slightly underestimated the wind coefficients whereas the wind tunnel test significantly overestimated them. The underestimation was due to several simplifications in the CFD model, such as turbulence model and mesh accuracy. The overestimation of the wind tunnel test correspondingly linked up to the drag of cylindrical components in model scale. After post-processing, the difference between CFD analysis and wind tunnel test wind coefficients were only 5–10 % which is substantially less than obtained in reference studies. This result indicates that the CFD analysis is a suitable research method for the wind coefficients in future.Laiturikonttinostureita (engl. ship-to-shore crane) käytetään lastaamaan ja purkamaan konttikuljetettua rahtia laivoista. Laiturikonttinosturit ovat korkeimpia rakennelmia satamissa, mikä altistaa nämä ankarille tuulikuormille. Ankarimmat tuulikuormat saavutetaan erityisesti myrskytuuliolosuhteissa, jotka voivat aiheuttaa kohtalokkaita vahinkoja nostureille. Tuulikuormia on tyypillisesti arvioitu tuulitunnelitestillä. Tämä on kuitenkin aikaa vievää ja kallista, joten vaihtoehtoisia tapoja on kehitteillä; yksi näistä on laskennallinen virtausdynamiikka (engl. computational fluid dynamics). Tässä työssä tutkittiin tuulenvastuskertoimia yhdelle suurimmista laiturikonttinosturimuotoiluista käyttäen laskennallista virtausdynamiikkaa. Laskennat suoritettiin Star-CCM+ ohjelmistolla kolmiulotteisessa avaruudessa. Simulaatiot toteutettiin kolmelle eri puomin asennolle: Normaali käyttö (0°), myrskylukitus (45°) ja huolto (80°). Tuulikertoimet laskettiin vain yhdelle puolelle nosturia käyttäen 15° väliä. Tämä kattoi kaikki mielenkiintoiset tuulen suunnat sisältäen takatuulen, sivutuulen ja pahimman tuulen suunnan. Tuulenvastuskertoimia verrattiin pienimittakaavaiseen tuulitunnelitestiin, jonka geometria oli yhtäläinen virtausanalyysiin. Lisäksi tulokset varmennettiin aikasemmilla tutkimuksilla. Tulokset osoittivat, että virtausanalyysi hieman aliarvioi tuulenvastuskerrointa, kun taas tuulitunnelitesti merkittävästi yliarvioi tätä. Aliarviointi johtui useista yksinkertaistuksista virtausmallissa, kuten turbulenssimallista ja laskentaverkon tarkkuudesta. Tuulitunnelitestin yliarviointi vastaavasti liittyi sylinterimallisten komponenttien vastukseen mallimittakaavassa. Jälkikäsittelyn jälkeen ero virtausanalyysin ja tuulitunnelitestin välillä oli vain 5–10 %, mikä on merkittävästi vähemmän kuin aikaisemmissa tutkimuksissa. Tämä tulos osoitti, että laskennallinen virtausanalyysi on jatkossa kelvollinen tutkimusmetodi tuulenvastuskertoimille.Description
Supervisor
Vuorinen, VilleThesis advisor
Lehtiö, JussiKeywords
Aerodynamics, Computational fluid dynamics, Drag coefficient, Ship-to-shore crane, Star-CCM+