Den Danske Maritie Fond Tug Ship Interaction MFTUG188-00 / 2007-10-10
Project No. and Title of Report: FORCE MFTUG188 Tug Ship Interaction Slutrapport Client: Den Danske Maritie Fond Author(s): Kristian Agdrup / Janne Flensborg Otzen Client's Ref.: Erik Bastiansen Date: 2007-10-10 Approved by: 0 Final Report JFO KA Revision Description By Checked Approved Date Keywords: Tug Ship Interaction Classification: Open Internal Confidential, Kgs. Lyngby Hjortekærsvej 99 2800 Kgs. Lyngby, Denark Tel. +45 72 15 77 00 Norway AS Claude Monets allé 5 1338 Sandvika, Norway Tel. +47 64 00 35 00 Fax +45 72 15 77 01 Fax +47 64 00 35 01 e-ail info@forcetechnology.no www.forcetechnology.no Sweden AB Tallätargatan 7 721 34 Västerås, Sweden Tel. +46 (0)21 490 3000 Fax +46 (0)21 490 3001 e-ail info@forcetechnology.se www.forcetechnology.se, Main office Park Allé 345 2605 Brøndby, Denark Tel. +45 43 26 70 00 Fax +45 43 26 70 11 e-ail force@force.dk www.force.dk
1 Indhold: 1 Introduktion... 2 2 Baggrund... 3 2.1 Definition af hydrodynaisk ship-ship interaktion:... 3 2.2 Udvidelse af eksisterende ship-ship interaktionsodul... 4 3 Modelforsøg... 5 3.1 Modeller... 5 3.2 Forsøgsopsætning... 5 3.3 Forsøgsprogra... 7 4 Ipleentering i DEN-Mark1... 9 5 Test og Validering... 10 5.1 Test beskrivelser... 10 5.1.1 Desktop test (MsBri)... 10 5.1.2 Siulator test (SiFlex)... 10 5.2 Diskussion og Usikkerheder... 14 6 Fretidig Arbejde... 15 7 Referencer... 16
2 1 Introduktion Denne rapport præsenterer arbejdet og resultaterne, der er frekoet i forbindelse ed tugship interaktionsodulet, der er en udvidelse af det oprindelige ship-ship interaktionsodul i s DEN-Mark1 ateatiske skibsodeller, der anvendes i SiFlex Navigator skibssiulatoren. Arbejdet er udført i saarbejde ed Svitzer A/S og lodser fra Fredericia og ed finansiering fra Den Danske Maritie Fond. Forålet ed slæbebådssiulatoren ved er blandt andet at dække de basale træningsbehov i forbindelse ed håndtering af slæbebåde. En slæbebådssiulator er velegnet til at indøve kounikation og situationsopfattelse under fx bugseringsopgaver, forudsat at alle relevante forhold bliver odelleret realistisk i siulatoren. Især bugseringsopgaver er potentielt risikable, da slæbebåden ofte under høje hastigheder anøvrerer tæt på det store skib og påvirkes af hurtigt varierende effekter fra det store skib. Realistisk odellering af interaktionen tæt på det store skib er derfor essentiel hvis kaptajner og lodser skal lære at håndtere kritiske situationer ved brug af siulatoren. Arbejdet i dette projekt gik derfor ud på at undersøge effekten af de koplekse tug-ship interaktionskræfter, der optræder ved eget tætte anøvrer af skib og slæbebåd, sat at ipleentere det i slæbebådssiulatoren. Hele studiet vedrørende Tug-Ship interaktion ofattede: - Indledende nueriske analyser for at belyse de effekter, der opstår i forbindelse strøninger okring et skib. - Modelforsøg, hvor indgående kræfter, paraetre, deres afhængighed osv. blev undersøgt. - Ipleentering af odelforsøgsdata i den ateatiske odel (DEN-Mark1). - Test og validering af det udvidede odul ed deltagelse kaptajner fra Svitzer sat lodser. Al arbejde udført i forbindelse ed projektet, blev udført i overenssteelse ed ansøgningen af 12. oktober 2005 sat den endelige godkendelse 21. februar 2006 elle parterne, FORCE Technology og Den Danske Maritie Fond.
3 2 Baggrund 2.1 Definition af hydrodynaisk ship-ship interaktion: Der opstår hydrodynaiske vekselvirkninger (Ship-ship interaction) elle to skibe, når de sejler i nærheden af hinanden. Et fartøj, der bevæger sig, vil være ogivet af et trykfelt, der aftager ed afstanden fra skibet. Trykket vil være højt for og agter, ens det vil være lavt langs siden af skibet. Hvis et andet fartøj passerer tæt forbi, dvs. koer helt eller delvist inden for trykfeltet fra det første skib, vil det opleve kræfter på skroget so følge af trykket. Ligeledes vil det første skib kunne ærke kræfterne fra det andet. Størrelsen på disse kræfter vil især afhænge af: - afstanden og den relative position elle de to skibe - den relative vinkel elle skibene - størrelsen af skibene - hastigheden - vanddybden Nueriske beregninger af bølgefeltet okring et skib viser tydelig det trykfelt, der opstår okring skibet so følge af bevægelsen igenne vandet, so set på figur 2-1. Figur 2-1: Nuerisk beregnet (SHIPFLOW) bølgesyste okring en tanker ved Fn = 0.06
4 2.2 Udvidelse af eksisterende ship-ship interaktionsodul Det eksisterende ship-ship interaktionsodul i DEN-Mark1 er baseret på data fra Dand (Ref. /2/) og Kaplan (Ref. /4/), der har undersøgt effekterne på skibe af saenlignelig størrelse. Effekten so følge af størrelsesforskelle er ipleenteret i det eksisterende odul, en det er dog anbefalet at forholdet elle to de to skibes deplaceenter ligger ielle 0.25 og 4. Hvis disse grænser overskides vil interaktionen føles unaturlig for begge skibe. Når en slæbebåd nærer sig et større skib, der skal assisteres i havn eller eskorteres, vil deplaceentsforholdet ofte være indre end 0.03, dvs. langt ud over grænsen for det eksisterende ship-ship interaktionsodul. Forålet ed dette arbejde har været at lave en udvidelse kaldet tug-ship interaktion til det eksisterende odul, så de hydrodynaiske effekter også vil føles realistiske når der sejles ed indre skibe (slæbebåde) blandt større skibe. Især var det vigtigt at odellere de rette effekter, so opstår ved anøvrer okring boven og agterstævnen af det assisterede skib og for afstande helt ned til fender-fender kontakt. Udvidelsen af det eksisterende odul er skabt på basis af indledende nueriske beregninger for at kortlægge effekterne, odelforsøg i både lægt- og dybvandstanke, sat råd fra erfarne slæbebådskaptajner. Det blev antaget at: - effekten fra slæbebåden på det assisterede skib er så lille, at den kan negligeres. - den hydrodynaiske effekt kan behandles so et kvasi-statisk proble (dvs. slæbebådens vej hen til det aktuelle proble ikke har betydning). Desuden er effekten af en eventuel driftvinkel af det store skib ikke edtaget. Alle odelforsøg blev udført ed parallel bevægelsesretning af odellerne.
5 3 Modelforsøg Alle odelforsøgene blev udført i forsøgstankene ved Lyngby. Der blev udført forsøg både i lægtvandsbassinet (25 x 8 x 0-0.25) sat i dybtvandsbassinet (240 x 12 x 5.5) for at undersøge afhængigheden af vanddybden. Et forsøgsæssigt proble var den relativt korte længde af lægtvandsbassinet, hvor kobinationen af en stor odel, lavt vand og ikke-lave hastigheder kan generere en stående bølge i bassinet, hvilket især kan påvirke de langsgående kræfter (X) sat sætning og tri. På trods af, at denne effekt var til stede under forsøgene, blev det valgt i første ogang ikke at lave forsøg i et længere lægtvandsbassin andetsteds af forskellige grunde: dels kunne probleet iødekoes forsøgsteknisk i nogen grad ved at indlægge tilstrækkelig ventetid elle kørsler; dels var alle forsøg stationære (ikke dynaiske) dvs. der var ikke behov for en lang tidsserie; dels var det fordelagtigt at køre forsøgene ved, hvor alle instruenter, dataopsalings- og analyse-software v. var velkendt på forhånd; desuden blev resultaterne fra lægtvandsbassinet saenholdt ed resultaterne fra dybtvandsbassinet, der ikke har sae begrænsning. 3.1 Modeller Der blev anvendt følgende odeller ved forsøgene: Hoveddiensioner Slæbebåd Tanker skib odel skib odel L oa () 29.5 1.18 189.5 7.58 L pp () 25.6 1.024 186.2 7.44 B () 11.0 0.44 31.6 1.26 T () 4.6 0.184 10.3 0.41 deplaceent (^3) 649 0.0416 49197 3.15 relativt deplaceent 0.013 1.0 Tabel 3-1: Forsøgsodeller, skala = 1:25. 3.2 Forsøgsopsætning Modellen af tankeren blev fikseret under selve ålevognen, ens slæbebådsodellen blev placeret i forskellige vinkler og positioner inden for (og ud over) det forventede trykfelt fra tankeren, so set på figur 3-1.
6 Figur 3-1: Forsøgsopstilling (lægtvandsbassin, h/t = 1.2) Slæbebådsodellen var udstyret ed to strain gauges placeret for og agter i odellen, således at både X og Y kræfterne på slæbebåden sat yaw oentet N kunne bestees. Slæbebåden var ikke fikseret, dvs. den var fri i sætning, tri og krængning. Ingen af odellerne var udstyret ed propellere, og til alle forsøg havde de to odeller sae hastighed. Forsøgsprograet ofattede variationer af: - hastighed - vanddybde - relativ position - slæbebådens driftvinkel og følgende blev ålt under førsøgene: - kræfterne på slæbebåden (X,Y og N) - sætning, tri og krængning af slæbebåden Forsøgene ofattede ikke: - forskellige driftvinkler for tankeren - propeller indflydelse - andre størrelser og skibstyper - ere end to skibe
7 3.3 Forsøgsprogra Nedenstående progra (tabel 3-2) blev genneført ved odelforsøgene. De nøjagtige positioner for de forskellige ålinger kan ses på figur 3-2, og udvalgte billeder fra de forskellige positioner kan ses på figur 3-3. Paraetre Værdier (fuldskala) Kondition af tankeren Lastet Hastigheder 4, 6, 8, 10 knob (*) Langsgående afstande Fra 0.4 til 5.4 for/agter for tankerens bov/agterstævn Tværgående afstande Fra 0.25 til 15 afstand fra tankerens side Driftvinkler 0 til 180 grader (20 graders spring) Vanddybder 12 (h/t=1.2), 15.5 (h/t=1.5), 140 (h/t=13.6=dybt vand) Tabel 3-2: Forsøgsprogra. (*) Alle positioner blev testet ved 4 knob, ens kun udvalgte positioner blev testet ved alle hastigheder. Figur 3-2: Alle forsøgspositionerne for slæbebåden i forhold til tankeren vist ved driftvinkel = 0 o (fuldskala). Der blev ålt henholdsvis ved boven, forskudt ved boven, station 8, station 5, station 2 og agter for tankeren.
8 Boven, h/t=1.2 Forskudt ved boven, h/t=1.5 Station 8, h/t= 1.5 Station 5, h/t =1.2 Station 2, h/t= 13.5 Agter for tankeren, h/t = 1.5 Figur 3-3: Billeder af de forskellige positioner ved forskellige driftvinkler for slæbebåden og vanddybde.
9 4 Ipleentering i DEN-Mark1 Alle de ålte kræfter fra odelforsøgene blev noraliseret ved: C C X Y X F + X = ½ ρ ( ) YF + Y = ½ ρ ( ) ( Y A 1/ 3 A A 1/ 3 A U U C F A N = 1/ 3 ½ ρ ( A ) U 2 2 Y ) l Hvor - U er den totale hastighed af odellerne i /s - ρ er vandets densitet 2 L pp - L pp er slæbebådens længde - l er oentaren, dvs. afstanden fra idtskibs til Y-gauges - X og Y er de ålte kræfter for og agter - og er henholdsvis slæbebådens og tankerens deplaceent. A Deplaceenterne af begge de to skibe er blevet anvendt for at inkludere indflydelsen af størrelsen fra begge skibene i beregningerne. Noraliseringen af kræfterne X og Y er gjort agen til det oprindelige odul. For oentet N er kvadratroden af deplaceenterne i det oprindelige odul blevet udskiftet ed den tredje rod ganget ed længden af slæbebåden, for i højere grad at vægte størrelsen af slæbebåden. Dette er vigtigt pga. den eget store størrelsesforskel elle det assisterede skib og slæbebåden. Efter noralisering blev de ålte kræfter opdelt afhængigt af de styrende paraetre, dvs. for eksepel kræfter ålt ved driftvinkler forskellige fra nul blev fratrukket kræfter ålt ved vinkler lig nul således det rene bidrag so følge af en driftvinkel kunne blive isoleret. Den ateatiske odel for det udvidede odul blev opbygget i overenssteelse ed det eksisterende odul, bortset fra ændringer i definitionen af den relative vinkel elle slæbebåden og det assisterede skib. Den ateatiske odel blev opbygget so følgende: C i = bf ( xa, ya ) cf ( Tp / h p, xa ) + bf ( ψ r, ya ) cf ( Tp / h p, xa ) cf ( xa, ya ) Hvor - i repræsenterer X, Y, N (og K) - bf er basisfunktionen - cf er korrektionsfunktionen - ( ) repræsenterer de uafhængige paraetre - xa og ya er positionskoordinater - T p / h p er vanddybdeforholdet - ψ r er den relative vinkel elle skibene
10 Beærk, at en korrektionstabel for hastighedsvariationerne er ikke edtaget i den ateatiske odel, da det antages, at hastighedsafhængigheden odelleres korrekt når kræfterne skaleres 2 ed U. 5 Test og Validering 5.1 Test beskrivelser 5.1.1 Desktop test (MsBri) For at sikre, at den ateatiske odel fungerede so forventet blev tabellerne gennetestet ved en desktop test inden de blev testet af kaptajner i siulatoren. Vha. prograet MsBri er det uligt at aflæse kræfterne ved ship-ship interaktion ved at siulere et såkaldt spøgelsesskib ved siden af slæbebåden. Spøgelsesskibet laves ved at definere position, diensioner, asse og hastighed for skibet sat at aktivere ship-ship interaktion. Slæbebåden blev placeret i positionen (0.0) hvorefter spøgelsesskibet blev flyttet rundt o slæbebåden for at aflæse kræfterne ved forskellige positioner. Disse kræfter blev saenholdt ed de originale data so kontrol af odellen. Når tabellerne blev flyttet over til en test i siulatoren blev spøgelsesskibet erstattet af et trafikskibe eller et skib kontrolleret fra en anden bro. 5.1.2 Siulator test (SiFlex) Alle siulator tests blev udført i saarbejde ed Svitzer kaptajner ed erfaring i ASD slæbebåde for at undersøge og validere udvidelsen af ship-ship interaktionsodulet. Forålet ed disse undersøgelser var at validere interaktionen elle skib og slæbebåd i situationer, hvor slæbebåden befinder sig i nærheden af det assisterede skib. Det var især vigtigt at teste følgende: - ydre grænser for interaktionszonen udbredelsen af trykfeltet fra det assisterede skib - forventet surge, sway og yaw (X,Y og N) i hele orådet okring tankeren - forventet surge, sway og yaw (X,Y og N) ved forskellige driftvinkler af slæbebåden i hele orådet okring tankeren Ved alle testene blev slæbebåden Svitzer Mars anvendt. Hoved diensionerne for Svitzer Mars og de forskellige skibe anvendt so assisterede skibe kan ses i tabel 5-1. Til de første siulator tests (test 0-6) blev der anvendt trafikskibe so assisterede skibe. Trafikskibe sejler efter en given kurs og ved en given hastighed. Fordelen ved trafikskibene er at de gør det uligt at teste o odulet virker ved brug af kun en enkelt bro. Desværre har trafikskibe ligeso spøgelsesskibe ingen fendere, dvs. ingen barriere til at stoppe slæbebåden fra at sejle direkte igenne den i tilfælde af kollision. I de sidste siulator tests (7-9) blev der anvendt assisterede skibe styret fra andre broer, dvs. i tilfælde af kollision ville slæbebåden kunne ærke det andet skib. Screen plots af siulator testene kan ses på figur 5-1 og 5-2.
11 Figur 5-1: Test på bro G og F, OCC view Figur 5-2: Test på bro G og F, SiFlex view. På dette billede er øjepunktet trukket bag slæbebåden for illustrationens skyld.
12 Skibs type Deplaceent 3 Længde elle perpendikulærer Længde total Bredde Dybgang for/agter Våd overflade ² Blokkoefficient - Assisterede skib (Model forsøg) Deplaceent 3 Længde elle perpendikulærer Længde total Bredde Dybgang for/agter Våd overflade ² Blokkoefficient - Assisterede skib (Siflex) Deplaceent 3 Længde elle perpendikulærer Længde total Bredde Dybgang for/agter Våd overflade ² Blokkoefficient - Assisterede skib (Siflex) Deplaceent 3 Længde elle perpendikulærer Længde total Bredde Dybgang for/agter Våd overflade ² Blokkoefficient - Slæbebåd (Svitzer Mars) 649.2 25.6 29.5 11.0 3.90 / 3.90 392.1 0.537 Tanker 49197.9 186.2 189.6 31.6 10.27 / 10.27 8453.7 0.799 Bulk Carrier 56940.0 182.0 190.0 32.24 11.8 / 11.8 8300.0 0.822 LNG Tanker 90443 274.0 288.0 48.2 10.08 / 10.08 14009 0.679 Tabel 5-1: Hoveddiensioner af de anvendte skibe i valideringen
13 Test nr. Generelt / Noter Hastig -hed Kurs Vanddybde Test side Sted 0 290607 1 070807 2 080807 3 100807 4 100807 5 Originale data Kaptajn: Erik Attrup Tilpasset tabeller Kaptajn: Arne Mejer Tilpasset tabeller Kaptajn: Arne Mejer Tilpasset tabeller Kaptajn: Arne Mejer Tilpasset tabeller Kaptajn: Arne Mejer Tilpasset tabeller Kaptajn: Arne Mejer 6 knob ~0 500 (dybt) Bagbord Vorbasse Bro G 6 knob ~0 500 (dybt) Bagbord Vorbasse Bro G 6 knob ~0 500 (dybt) Bagbord Vorbasse Bro G 6 knob ~0 500 (dybt) Bagbord Vorbasse 6 knob + 10 knob Bro G ~0 500 (dybt) Bagbord Vorbasse Bro G 6 knob ~0 500 (dybt) Bagbord Vorbasse 130807 6 150807 7 230807 8 130907 9 7 knob Varierende 24-260907 1. test ed Svitzer Kaptajner. Kaptajn: Martin (SE) og Bill (UK) 2. test ed Svitzer Kaptajner. Kaptajn: 5 ASD Kaptajner (SE) 3. test ed Svitzer Kaptajner. Kaptajn: Jens Eggert (DK) Test Kursus; Kaptajn: Dorus og Goos (NL) Lods: Henning og Eivind (DK) 5, 6, 8 knob Bro G ~0 500 (dybt) Bagbord Vorbasse 6 knob 20 o 500 (dybt) Begge sider (ingen fendere) Tabel 5-2: Varierende Varierende Noral dybde Realistisk dybde (varierende) Testprogra i SiFlex Overalt Overalt Bro G Vorbasse Bro G+F Vorbasse Bro G+F Vorbasse Fredericia S. Hapton Bro A,G,F
14 5.2 Diskussion og Usikkerheder Den ateatiske odel er bygget op på baggrund af de forudgående odelforsøg i forsøgsbassinerne hos. Til positioner hvor der ikke har været odelforsøgsdata, er værdierne bestet ved interpolation elle værdier ved okringliggende positioner sat ud fra råd fra erfarne kaptajner. Især okring boven var der behov for adskillige odifikationer før kaptajnerne syntes at interaktionen virkede korrekt. Dette skyldes til dels at dette oråde, hvor der forekoer store delvis hastighedsafhængige variationer i kræfterne, ikke var dækket grundigt nok ind ed odelforsøgene. Ved odelforsøgene blev der ålt ved station 8, 5 og 2, agter for skibet, ved boven og lettere forskudt fra boven. Dvs. de oslag i kræfterne, so kaptajnerne forventede i oråderne fra Station 8 (forreste skulder) til lige før forreste perpendikulær og fra Station 2 (agter skulder) til agten for skibet, kunne ikke underbygges nøjagtigt fra forsøgene. Ved forsøgene, især ved lavt vand hvor effekterne er størst, blev de ønskede effekter kun svagt observeret i de ålte positioner, uligvis pga. den relativt lave hastighed på 4 knob ved hovedparten af forsøgene. Der forelå indre uenighed blandt de forskellige kaptajner o hvordan de forventede at kræfterne vil variere især ved boven. Dette kan skyldes, at kaptajnerne er vant til at assistere forskellige typer af skibe. På trods af den nævnte indre uenighed indbyrdes, fandt kaptajnerne odellen realistisk og so en klar forbedring af siuleringen af slæbebådsoperationer ved forskellige hastigheder og vanddybder. Især effekterne på de positioner hvor der forelå deltaljeret dokuentation (ålinger) fandt de realistiske. Den ateatiske odel er forsøgt lavet så generel so uligt, dvs. den tager ikke hensyn til, o der eventuelt åtte være en lille eller en stor bulb på det assisterede skib o.l. Tabellerne tager kun hensyn til hoveddiensionerne af det assisterede skib (L pp, T, B og ) og anvender disse til at beregne hele trykfeltet okring skibet. Fleksibiliteten i tabellerne gør det dog uligt at variere værdierne i tabellerne afhængigt af hvilket skib der assisteres, hvis der skulle være specifikt data for det aktuelle skib. Dette ville dog ikke være optialt, da det ikke er uligt at skifte tabeller idt under en øvelse, hvor an kan risikere at øde vidt forskellige skibe. Hvorvidt det er uligt at gøre odellen ere fleksibel overfor forskellige skibstyper uden direkte at ændre i tabellerne hver gang er i dette projekt ikke blevet undersøgt nærere. Dette ville i givet fald kræve yderligere data fra enten forsøg eller CFD beregninger for en række skibstyper.
15 6 Fretidig Arbejde So nævnt i det foregående er størstedelen af de odifikationer, der er lavet elle første version direkte fra odelforsøgene og den endelige version, lavet i oråderne ielle de ålte positioner. Data for disse oråder er blevet skabt på baggrund af interpolation elle kræfterne ved kendte positioner i nærheden sat råd fra erfarne slæbebådskaptajner. Fretidigt arbejde kunne være at undersøge og validere de frekone værdier i disse oråder, og at uddybe undersøgelsen af de paraetre, der har en indflydelse på de hydrodynaiske effekter. Forslag til fretidigt arbejde: - Undersøgelser (enten nueriske eller odelforsøg) i flere positioner okring boven og ved agterstævnen af det assisterede skib. - Undersøgelser ed forskellige typer af det assisterede skib, inklusiv indflydelsen af bulbens udforning. - Undersøgelser ed forskellige deplaceenter for at kortlægge og udvide grænserne for det nye odul. - Flere ålinger ved højere hastigheder (6-12 knob) i hele orådet okring det assisterede fartøj, hvor driftvinklen på slæbebåden bliver varieret elle for eksepel 20 og -20 grader. - Gentage flere ålinger ved forskellige vanddybder. - Inkludere indflydelsen af driftvinkler af det assisterede skib. - Undersøgelser ed selvfredrevne odeller (både slæbebåden sat det assisterede skib) for at validere den kobinerede effekt af interaktionen pga. skibsskrogene alene og slipstrøseffekten fra propellerne.
16 7 Referencer Ref. /1/. Bøgh, J.U.; Nielsen, Ole; Vestergaard, S. Skibsteknik II Stabilitet anøvrering.. Iver C. Weilbach & Co. A/S (1996) Ref. /2/. Dand, I.W. Soe easureents of interaction between odels passing on parallel courses National Maritie Institute, Report R 108 (1981) Ref. /3/. Islund, K. Ship Manoeuvre Theory 2. Edition DMI Lyngby Danark (2000) Ref. /4/. Kaplan, P.; Sankaranarayanan, K. Hydrodynaic interaction of ships in shallow channels, including effects of asyetry International Conference of Ship Manoeuvrability, London, Paper no. 21 (1987) Ref. /5/. Ref. /6/. MFTUG188-01 Model Test Report Lyngby - Danark (2007) MFTUG188-02 DENMark 1, Matheatical Model Evaluation Lyngby - Danark (2007)