aalto1 untyped-item.component.html
The influence of metacentric height on ship manoeuvring prediction accuracy - A computational fluid dynamics-based study
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
Language
en
Pages
103
Series
Abstract
Ship manoeuvrability is a critical aspect of ship design, with an influence on both efficiency and safety. As hull forms become more unconventional and vessel sizes increase, so does the need for accurate manoeuvring prediction to ensure that the manoeuvrability standards set by the International Maritime Organization are met. A reliable prediction method includes simulating ship motion using a mathematical model based on hydrodynamic derivatives that describe the external forces and moments acting on the ship. These derivatives are often obtained through captive model tests.
Mathematical models often consider only three degrees of freedom (DoFs): surge, sway, and yaw. However, ships with low metacentric heights have low stability and can exhibit large roll motions during manoeuvring, which are known to affect the overall manoeuvring behaviour. In such cases, roll needs to be included.
This thesis investigates the effects metacentric height has on ship manoeuvring behaviour, and identifies when the effects should be included to maintain prediction accuracy. A system-based approach using a 4-DoF mathematical model with roll-coupling was used to investigate how changes in metacentric height influences the predicted trajectories. Virtual captive model tests were conducted using computational fluid dynamics (CFD) from which hydrodynamic derivatives were obtained. The results were compared to a 3-DoF model without roll-coupling and the heel-sensitivity of the hydrodynamic derivatives of the model was investigated.
The study showed that metacentric height and heel mainly affected the nonlinear hydrodynamic derivatives. Surge was mostly insensitive to heel, whereas sway and yaw were strongly dependent on heel. Ships with low metacentric height or high speed are prone to rolling, which reduces directional stability, increases initial turning ability, and reduces yaw-checking ability. This results in decreased tactical diameters in turning circle tests and increased first overshoot angles in zigzag tests. These effects require a 4-DoF model to be captured. Conversely, the directional stability of ships with high metacentric height or low ship speed is not affected by rolling.
Fartygsmanöverduglighet är en väsentlig del av fartygsdesign, som påverkar både effektivitet och säkerhet. Då skrov blir mer okonventionella och storleken på fartyg ökar, likaså stiger väsentligheten för noggrann manövrerisgsprognos för att försäkra att standarderna fastställda av International Maritime Organization (IMO) uppfylls. En pålitlig prognosmetod innefattar simulering av fartygsrörelser med en matematisk modell baserat på hydrodynamiska derivator som beskriver de externa krafterna och momenten som verkar på skeppet. Dessa derivator erhålls ofta med fasta modellförsök
Matematiska modeller beaktar ofta enbart tre frihetsgrader (DoF): svall, svaj och gir. Emellertid har fartyg med låg metacentrisk höjd låg stabilitet och förevisar stora rullrörelser under manövrer som är kända för att påverka det övergripande manövreringsbeteendet. I sådana fall måste rullning beaktas.
Detta diplomarbete undersöker den inverkan metacentrisk höjd har på fartygsmanövreringsbeteendet och identifierar när effekterna behöver beaktas för att upprätthålla prognosnoggrannhet. En systembaserad metod med en 4-DoF matematisk modell och rullkoppling användes för att undersöka hur ändringar i metacentriska höjden påverkar trajektoriaprognoserna. Virtuella fasta modellförsök genomfördes med numerisk strömningsmekanik (CFD) från vilka de hydrodynamiska derivatorna erhölls. Resultaten jämfördes med en 3-DoF matematisk modell utan rullkoppling och derivatornas känslighet för krängning undersöktes.
Studien visade att metacentrisk höjd och krängning främst påverkade de icke-linjära hydrodynamiska derivatorna. Svallderivatorna var inte känsläga för krängning, medan derivatorna för svaj och gir visade högt beroende av krängning. Fartyg med med låg metacentrisk höjd eller hög hastighet är benägna för rullning, vilket minskar kursstabiliteten, ökar begynnelsevridförmågan samt minskar förmågan att dämpa girning. Detta leder till minskade taktiska diameter under vändcirkeltest och ökade första översvängingsvinklar under sicksacktest. Omvänt är kursstabiliteten för fartyg med hög metacentrisk höjd eller låg hastighet inte påverkad av rullning.