Arvioidaan hydrodynaamisten vaikutusten merkitystä jääkuormitukseen aluksen ja jään liukukosketuksessa: Meriaaltojen ja hydrodynaamisten vuorovaikutusten roolit

Abstract

With climate change increasing accessibility to polar maritime routes, understanding ice loads on ship hull has become crucial for safe navigation. Traditional methods for evaluating ice loads, such as the Popov method, often simplify the geometry of ships and ice floes, and neglect the complex hydrodynamic interactions and waves that significantly influence ice loads. These simplifications can lead to inaccurate predictions of ice loads, especially in the Marginal Ice Zone (MIZ), where ships and small to medium-sized ice floes are dynamically affected by sea waves. This research aims to fill this gap by developing a comprehensive model that incorporates these factors to enhance the precision of energy-based ice load evaluations. To address these shortcomings, this research proposes a novel approach using the Boundary Element Method (BEM) to assess the hydrodynamic interaction between an advancing ship and an ice floe. This approach incorporates the linear superposition principle to combine the radiation potentials of both bodies and the encounter frequency method to account for the ship's speed. This results in a detailed calculation of added mass and damping coefficients, which are critical for understanding the hydrodynamic interactions between the ship and ice. Further, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model is developed to investigate the hydrodynamic coefficients under the interaction between side-by-side structures, focusing on how the surrounding fluid flows affect the hydrodynamic coefficients. The CFD model helps understand the physical significance of specific subsections of the hydrodynamic coefficient matrix, essential for accurate ice load evaluations. The research integrates these findings into an extended energy-based model for ice load evaluation, considering effects of waves and hydrodynamic interactions. This model is illustrated through a case study involving an ice-class ship and ice floes of varying sizes. Key findings of this thesis include the realization that traditional ice load evaluation methods may underestimate ice loads by not accounting for sea waves and hydrodynamic interactions. The novel BEM approach developed in this research provides a more accurate representation of these interactions, leading to better predictions of ice loads. The study also reveals that the impact of wave-induced motions is more pronounced than that of added mass. This research makes significant contributions to maritime engineering by uncovering the influence of hydrodynamics on ice load evaluations. It provides valuable insights for the design and operation of ice-going ships, ensuring safer navigationin ice-infested waters.Ilmastonmuutoksen lisätessä arktisten merireittien saavutettavuutta on laivan runkoon kohdistuvien jääkuormien ymmärtäminen tullut kriittiseksi turvallisen navigoinnin kannalta. Perinteiset menetelmät, kuten Popovin menetelmä, yksinkertaistavat usein alusten ja jäälauttojen geometrian ja jättävät huomiotta monimutkaiset hydrodynaamiset vuorovaikutukset ja aallot, jotka merkittävästi vaikuttavat jääkuormiin. Nämä yksinkertaistukset voivat johtaa epätarkkoihin jääkuorma-arvioihin erityisesti marginaalijäävyöhykkeellä (MIZ), missä alukset ja pienet ja keskikokoiset jäälautat ovat meren aaltojen vaikutuksen alaisina. Tämä työ pyrkii täyttämään tämän aukon kehittämällä kattavan mallin, joka sisällyttää nämä tekijät energian säilymiseen perustuvan jääkuorma-arvion tarkkuuden parantamiseksi. Näiden puutteiden korjaamiseksi tutkimuksessa ehdotetaan uutta lähestymistapaa, joka käyttää reunaelementtimenetelmää (BEM) arvioimaan hydrodynaamista vuorovaikutusta etenevän aluksen ja jäälautan välillä. Tämä menetelmä yhdistää lineaarisen superpositioperiaatteen avulla molempien kappaleiden säteilypotentiaalit, sekä huomioi aluksen nopeuden kohtaamistaajuusmenetelmän perusteella. Tämän seurauksena saadaan yksityiskohtaiset lisätyn massan ja vaimennuskertoimien laskelmat, jotka ovat tärkeitä aluksen ja jään hydrodynaamisten vuorovaikutusten ymmärtämisessä. Lisäksi työssä kehitetään laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) malli tutkimaan hydrodynaamisia kertoimia rakenteiden välisen vuorovaikutuksen yhteydessä, joka keskittyy määrittämään ympäröivän nesteen virtauksen vaikutusta hydrodynaamisiin kertoimiin. CFD-malli auttaa ymmärtämään hydrodynaamisen kerroinmatriisin tiettyjen alaosioiden fysikaalista merkitystä, mikä on olennaista tarkkojen jääkuorma-arviointien kannalta. Työssä integroitiin nämä havainnot laajennettuun energian säilymiseen perustuvaan jääkuorman arviointi malliin huomioiden aaltojen ja hydrodynaamisten vuorovaikutusten vaikutukset. Mallia havainnollistetaan tapaustutkimuksella, joka käsittää jääluokan omaavan aluksen ja erikokoisia jäälauttoja. Työn keskeinen havainnot on, että perinteiset jääkuormien arviointimenetelmät voivat aliarvioida kuormia, koska ne eivät huomioi aaltoja ja hydrodynaamisia vuorovaikutuksia. Tässä työssä kehitetty uusi BEM-lähestymistapa tarjoaa tarkemman kuvan näistä vuorovaikutuksista, johtaen parempiin jääkuorma-arviointeihin. Tutkimus osoittaa myös, että aaltojen aiheuttamien liikkeiden vaikutus kuormiin on suurempi kuin lisätyn massan. Tämä työ tuo merkittävää uutta tietoa arktiseen meritekniikkaan paljastaen hydrodynamiikan vaikutuksen laivan runkoon kohdistuviin jääkuormiin. Se tarjoaa arvokasta tietoa jäävahvistettujen alusten suunnitteluun ja käyttöön turvallisemman merenkulun takaamiseksi jääpeitteisillä vesillä