Second harmonic wave loads as springing excitation of a large cruise ship in short and steep head waves
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2014-05-30
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
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
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
212
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 61/2014
Abstract
Ship springing is an important topic for the ship building industry, because it can cause fatigue damage and, in the case of large cruise ships, endanger the comfort of the passengers onboard. The existing literature presents different excitation mechanisms for springing. However, detailed descriptions of the development of springing excitation along the length of a hull are lacking. This study focuses on one classical theory of springing excitation, which states that the resonant second harmonic wave loads cause vibration of the two-node vertical mode of a hull. A thorough analysis of such wave loads is presented for one study case of a large cruise ship advancing in short and steep head waves. The ship is assumed to be rigid and the structural responses are not considered. The wave loads to be analysed were obtained using an unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) solver with a volume-of-fluid method (VOF) for free-surface flows. Before the actual analysis of the springing excitation, the reliability of the computed results was studied with a solution accuracy assessment and with a comparison of local pressure histories against the respective experimental results. The experimental data were obtained by conducting dedicated model tests in the towing tank of the Department of the Applied Mechanics at Aalto University. The study on the reliability of the results shows that a RANS-VOF solver can give reliable results at a detailed level in short and steep waves. The present study case differs from most of the previously validated RANS computations on ship wave loads by having very short encountered waves (Lwave=Lship = 0:16) and by studying the loads at a detailed level. The results show that the second harmonic vertical loads mostly originate from the foremost part of the bow. The importance of the second harmonic vertical force at different stations depends both on the ratio of the rise and the fall times of individual local pressures and on the phase difference between local pressures at different depths. The behaviour of the local loading relates to the local hull form. The relevant factors of the hull form are, in particular, the bow bulb, the form of the buttock lines, and the local entrance angle at the level of the design waterline. In future work, the generality of these findings should be studied for different hull forms and wave conditions.Springing on tärkeä aihe laivanrakennuksessa, koska se voi aiheuttaa laivan rakenteiden väsymistä ja matkustajalaivan tapauksessa häiritä matkustajien mukavuutta. Kirjallisuudessa on esitetty erilaisia teorioita springing-värähtelyn heräämisen syistä, mutta yksityiskohtaiset kuvaukset herätteen kehittymisestä laivan rungolla puuttuvat. Tämä tutkimus keskittyy yhteen klassiseen teoriaan, jonka mukaan springing-värähtely herää, kun aaltokuorman toinen harmoninen komponentti resonoi rungon alimman pystysuuntaisen taivutusmuodon kanssa. Työssä esitetään perusteellinen analyysi aaltokuormasta yhdessä tilanteessa, jossa suuri matkustajalaiva etenee lyhyessä ja jyrkässä vasta-aallokossa. Laiva oletetaan jäykäksi, eikä sen rakenteiden vasteita tarkastella. Analysoitavat aaltokuormat on saatu laskennallisesti Reynolds-keskiarvoitetulla Navier-Stokes (RANS) virtausratkaisijalla, joka käyttää volume-of-fluidmenetelmää (VOF) vapaanpinnan käyttäytymisen ennustamiseen. Laskentatulosten luotettavuutta on tarkasteltu sekä ratkaisun numeerista käyttäytymistä analysoimalla että vertaamalla laskettuja paineita mittaustuloksiin. Mittaustulokset ovat peräisin tämän tutkimuksen yhteydessä tehdyistä mallikokeista Aalto-yliopiston Sovelletun mekaniikan laitoksen hinausaltaassa. Esitetty laskentatulosten luotettavuuden arviointi osoittaa, että RANS-VOF ratkaisija voi antaa luotettavia tuloksia yksityiskohtaisella tasolla lyhyissä ja jyrkissä aalloissa. Esitetty tapaus eroaa useimmista kirjallisuudessa aikaisemmin esitetyistä validoiduista RANS-laskennoista kohdattavien aaltojen lyhyyden (Lwave=Lship = 0:16) ja aaltokuorman yksityiskohtaisen tarkastelun perusteella. Tulokset osoittavat, että laivan kohtaaman pystysuuntaisen aaltokuorman toinen harmoninen komponentti syntyy pääosin laivan keulan etuosassa. Tämän voimakomponentin merkittävyys eri kaarien kohdalla riippuu sekä paikallisten paineiden nousu- ja laskuajan suhteesta että eri syväyksillä vaikuttavien paineiden keskinäisistä vaihe-eroista. Esitetyt tulokset selittävät, kuinka paikallisen kuormituksen käyttäytyminen liittyy paikalliseen runkomuotoon. Olennaisia tekijöitä runkomuodossa ovat etenkin keulabulbi, rungon vertikaalien muoto ja rungon paikallinen avautumiskulma vesiviivan korkeudella. Näiden johtopäätösten yleispätevyyttä on syytä tutkia tulevaisuudessa erilaisille runkomuodoille ja aallokko-olosuhteille.Description
Supervising professor
Matusiak, Jerzy, Prof., Aalto University, Department of Applied Mechanics, FinlandThesis advisor
Matusiak, Jerzy, Prof., Aalto University, Department of Applied Mechanics, FinlandMikkola, Tommi, D.Sc., Aalto University, Department of Applied Mechanics, Finland
Keywords
ship wave loads, second-order resonant springing, hull form, RANS, volume-of-fluid method, model tests, laivan aaltokuormat, toisen kertaluvun springing, runkomuoto, volume-of-fluid menetelmä, mallikokeet