Detection of encountered waves by using pressure measurements in the bow area of a ship

Abstract

Frem til nå finnes det ulike metoder å estimere hva bølgetilstanden er på skip. Noen av de eksisterende metodene som finnes er bølgeradarer, bølgebøyer og LIDAR, som er en optisk fjærnmålingsteknikk som bruker et emiterende lasersignal. Denne oppgaven omhandler å bruke numeriske metoder til å estimere sjøtilstanden til et skip i fart. Det er av interesse å finne hvilken bølgevinkel som inntreffer skipet, hva bølgehøyden er og hvor lange er bølgene er. Det er også av interesse å finne ut hvor mange sensorer som er nødvendig og hvor de bør plasseres for best mulige resultater. Regulære bølger vil bli simulert med varierende bølgelengder, bølgehøyder og bølgevinkler. En tilstand for irregulære bølger vil også bli undersøkt. Sensorer vil bli plassert på baugen av skipet KVLCC2, som er et ofte brukt skip i numeriske studier på grunn av at det finnes mye referansedata om dette skipet. Sensorene vil bli plassert noen meter under vannoverflaten og skal måle trykkendringene i bølgen. Trykksignalet vil bli behandlet og analysert ved bruk av ulike metoder for å få informasjon om bølgetilstanden. De metodene som blir studert er blant annet en geometrisk metode som bruker koordinatene til sensorene og tidsforskjellen mellom en bølge som passerer to sensorer. Den geometriske metoden vil kunne estimere både bølgevinkel og bølgelengde. Bølgelengden vil også kunne bli funnet ved bruk av definisjonen av møtefrekvensen på trykksignalet i sensorene. Bølgehøyden vil bli estimert ved å studere regulære bølger. Lineær bølgeteori vil bli brukt til å anta lineær sammenheng mellom bølgehøyde of trykkendring. Dette vil bli overført til irregulære bølger for å estimere signifikant bølgehøyde. Det blir konkludert at syv sensorer vil være nok for å estimere bølgetilstanden. En sensor vil være på tuppen av baugen, mens tre sensorer vil bli plassert på hver side av baugen. Sensorer som er for nærme tuppen av baugen og sensorer på lesiden av skipet gir unøyaktige estimasjoner. Sensorene på siden hvor bølgene intreffer skipet gir best estimasjoner. Lovart siden kan bli funnet ved å se på trykksignalet for sensorene. Det vises å være gjennomsnittlig høyere trykkverdier på lovart side sammenlignet med lesiden.

This project deals with numerical simulations for estimating the sea state for a traveling ship. It is of interest to find the wave angle relative to the ship, the wave height and the wave length. It is also of interest to find out how many sensors are necessary and where to position them for best results. Regular waves will be simulated with varying wave lengths, wave heights and wave angles. One sea state of irregular waves will also be studied. Sensors will be positioned at the bow of the KVLCC2 ship. The KVLCC2 ship is a often used ship in numerical studies, because there exist lots of benchmark data for this ship. The sensors will be located a few meters below the water surface and measure pressure variations from the waves. The pressure signal will be analysed and different methods will be used to estimate the sea state. One of the methods which will be studied is the geometric method. It will use the coordinates of the sensors and the time-delay between a wave passing the sensors. The geometric method will be able to estimate the wave angle and the wave length. The wave length will also be found from using the definition of the wave encounter frequency on the pressure signal. The wave height will be estimated by studying regular waves. Linear wave theory will be used to assume linear relation between wave height and pressure changes. This will be transferred to irregular waves for estimating the significant wave height. The conclusion of the thesis is that seven sensors will be enough for estimating the sea state. One sensor will be placed at the tip of the bow, while three sensors will be placed on each side of the bow. If the sensors are too close to the tip of the bow or on the lee side of the ship, they will estimate inaccurate results. The sensors on the windward side will give the most accurate estimations. The windward side can be found from reading the pressure signals. It is shown that the pressure values on the windward side are in average larger then the pressure on the lee side.