Über Wellenkinematik in rauen Seegängen und Monsterwellen

Von je her stellen rauer Seegang und Monsterwellen eine Gefahr für Schiffe und meerestechnische Konstruktionen dar, indem sie extreme Belastungen ausüben und starke Bewegungsausschläge bewirken. Die Formulierung eines rationalen Verfahrens für die Berechnung von Wellenlasten im steilen, irregulären Seegang im Oberflächenbereich steht bis heute aus. Die Beschreibung von natürlichem Seegang durch Überlagerung vieler harmonischer Wellen hat sich als effizientes und genaues Werkzeug für die Darstellung der Wasseroberfläche, wie auch für die Wellengenerierung und Transformation erwiesen. Für die Berechnung der Wellenkinematik in Oberflächennähe ist sie ungeeignet. Wellentheorien höherer Ordnung bilden nur reguläre Wellen exakt ab, die keine Besonderheiten des natürlichen Seegangs wie die horizontale Asymmetrie und Wellenbrechen aufweisen. Diese Effekte haben entscheidenden Einfluss auf die Wellenkinematik und damit auf die resultierenden Seegangslasten auf Schiffe und Offshore-Plattformen. In dieser Arbeit wird die Stokes-Approximation, eine neue Methode zur Berechnung der Wellenkinematik in steilen, unregelmäßigen Wellen mit bekannter Oberflächenauslenkung vorgestellt. Das Modell basiert auf einem Perturbationsansatz interagierender Stokes-Wellen nach Pierson (1993a), der auf sechs Wellenkomponenten erweitert und für den Einsatz in limitierter Wassertiefe angepasst wird. Eine parametrische Lösung wird mit Hilfe eines Subplex-Such-Algorithmusses auf die gegebene Oberfläche angepasst, die sowohl als Zeit-abhängige Registrierung, als auch als Oberflächenkontur gegeben sein kann. Zur Validierung werden Messungen von Partikelgeschwindigkeiten und den dynamischen Wellendrücken in Wellenkanälen herangezogen. Folgende Wellensignale werden untersucht: 1) Ein fokussiertes, steiles Wellenpaket wird im frühen Stadium bestehend aus mehreren Einzelwellen durch Wellenpegel und Ultraschall-Geschwindigkeitssonde vermessen. Im Bereich des Fokus-Punktes wird die dynamische Kontur durch eine Reihe von Pegelmessungen aufgenommen, während gleichzeitig das Tiefenprofil der Geschwindigkeit mit einem Laser-Doppler-Anemometer bestimmt wird. Es zeigt sich, dass die Approximation durch Stokes-Wellen bis kurz vor dem Brechen der Welle Ergebnisse liefert. Mit dem so ermittelten Geschwindigkeitsfeld wird der CFD-Solver Fluent initialisiert, der den Brechvorgang der Welle simuliert. 2) Die "Yura Welle" ist eine im Japanischen Meer gemessene Wellensequenz die eine Monsterwelle enthält. Sie wurde von Mori et al. (2000) vor der Küste Yuras gemessen und später im kleinen Wellenkanal der TU-Berlin im Maßstab von 1:120 nachgebildet. Es werden Druck- und Geschwindigkeitsmessungen durchgeführt vergleichend zu konventionellen Wellentheorien, wie auch zur neuen Stokes-Approximation präsentiert. 3) Die Registrierung der "New Year Wave", eine Wellensequenz, die am 1.1.1995 in der Nordsee von Haver (2000) gemessen wurde, wird im Großen Wellenkanal der TU-Berlin im Maßstab 1:81 reproduziert. Der Wellenzug wird sowohl im Zeit-, als auch im Ortsbereich aufgemessen. Ferner werden Partikelgeschwindigkeiten in der kritischen Wellengruppe gemessen. Das Experiment wird virtuell im numerischen Wellenkanal WAVETUB reproduziert, dessen Ergebnisse gute Übereinstimmung mit der Messung zeigen - sowohl hinsichtlich der nicht-linearen Wellenausbreitung, als auch hinsichtlich der Partikelgeschwindigkeiten in der Extremwelle. Die Stokes-Approximation zeigt, dass kurz vor der Brechung durch zwei überlagerte Stokes-Wellen die sowohl die Geschwindigkeit, als auch die Oberflächenkontur im Orts- und Zeitbereich gut wiedergeben. Es wird gezeigt, dass die neue Approximationsmethode in allen Fällen exzellente Ergebnisse liefert. Das harmonische Superpositionsmodell, das die Dispersion für jede einzelne Wellenkomponente vorsieht, ist unverzichtbar für die Modellierung, Simulation und Transformation irregulärer und deterministischer Wellenzüge. Gleichzeitig können nur Theorien höherer Ordnung für regelmäßige Wellen die Kinematik im Wellenberg richtig darstellen. Die hier präsentierte und validierte Methode stellt eine Verbindung beider Konzepte dar, mit deren Hilfe, die Kinematik steiler, unregelmäßiger Wellenzüge schnell und zuverlässig ermittelt werden kann.Ever since, harsh seaway and extreme waves have been a risk for ships and offshore structures inducing extreme loads and motions. Nevertheless, a practical mathematical model to calculate wave kinematics in the splash zone of steep, irregular seaway is still pending. The model of irregular seaway consisting of a large number of harmonic component wave proves to be efficient and accurate for the surface description and wave generation. For the calculation of near surface wave kinematics it is proven to be inadequate. Higher order wave models cover only regular waves that do not reflect the nature of irregular seaway, since front-back-asymmetry and wave breaking are not covered by theories for regular wave. They have, however, crucial impact on the wave kinematics and therefore on the loads exerted on ships and offshore-structures. In this thesis, the Stokes-Approximation is presented, a new method to predict particle kinematics within steep irregular waves. The model is based on a perturbation solution for interacting Stokes-waves by Pierson (1993) that is extended to six component waves accounting for interaction terms up the third order. The method is adapted for the use in restricted water depth. By a Subplex search algorithm a parametric solution is fitted onto a surface elevation that may be a time registration or as a surface contour. For validation purposes measurements of dynamic pressure and particle velocities are taken in wave tanks. Three wave signals are analyzed: 1)A steep focussing wave packet generated in the small wave tank of TU-Berlin is analyzed at an early stage consisting of fifteen individual waves. Measurements are taken by wave gauges and an ultrasonic flow-meter. At the point of breaking, the surface contour is recorded by successive application of wave gauges and the velocity profile is recorded by a Laser-Doppler-Velocimeter. It is shown that the Stokes-Approximation produces results even close to wave breaking. With the determined velocity field the CFD-solver Fluent is initialized to continue the simulation revealing the breaking process. 2) The ''Yura Wave'' is a wave sequence with an embedded freak that has been registered in the Japan Sea off the coast of Yura Harbor by Mori et al. (2000). It is reconstructed in the small wave tank at a scale of 1:120. Measurements of dynamic pressure and velocities are compared to results from linear, stretching and regular Stokes wave theory as well as with the new Stokes-Approximation. 3) A reproduction of the "New Year Wave" a freak wave sequence measured on 01/01/1995 in the North Sea Haver (2000) is generated in the large model basin of TU-Berlin at scale 1:81. In parallel the horizontal velocities within the wave crest are recorded. The same experiment is conducted virtually in the numerical wave tank WAVETUB showing good agreement in terms of wave propagation as well as the resulting velocity profile in the freak wave. It is shown that for all cases the Stokes-Approximation gives excellent results regarding the velocity field underneath the wave crest - for the freak waves as well as for the surrounding steep irregular seaway. On the one hand the superposition of many wave components is indispensable to model, transform, and generate irregular, deterministic surface elevations while on the other hand only high order regular theories are applicable to model the crest kinematics sufficiently well. The presented and validated method bridges the gap allowing reliable estimates of the wave crest kinematics in irregular seaway that can be utilized for the calculation of loads on offshore-structures

Validation of freely floating boxes responding to waves using the overset mesh method in OpenFOAM

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Roll damping simulations of an offshore heavy lift DP3 installation vessel using the CFD toolbox OpenFOAM

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Validation of a roll decay test of an offshore installation vessel using OpenFOAM

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Validation of a roll decay test of an offshore installation vessel using OpenFOAM

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zur Erlangung des akademischen Grades

of conducting the dissertation and scientific freedom I have been granted. I am grateful for being part of the Ocean Engineering Group. For further support and taking interest in this work many thanks as well go to the second promoter, Prof. Dr.-Ing. Thamsen and the chair doctoral comity Prof. Dr.-Ing. Holbach. Many thanks go to my colleagues and the staff of the Ocean Engineering Group of the TU-Berlin for great teamwork, vivid discussions, and the great time I have had during the years. Namely, I wish to thank Marco Klein and Dr. Robert Stück and Matthias Dudek for the great cooperation, as well as André Kauffeldt, Sascha Kosleck, Nils Otten, Daniel Testa and Kornelia Tietze. Dr. Janou Hennig and Dr. Christian Schmittner I which to thank for the comments and the encouragement as well as Prof. Guedes Soares and Prof. Molin for valuable advice. Most importantly, I thank my dear wife Mahboubeh and my parents for their everlasting patience and support. i