Experimental and Numerical Investigation of Coupled Vessel and Moonpool Responses

Abstract

Denne oppgaven tar for seg den gjensidige koblingen mellom moonpoolrespons og skipsbevegelser, ved gjennomføring av eksperiment og numeriske simuleringer. Et parameterstudie på forholdet mellom moonpoolbredde og skipsbredde er også gjennomført. En analytisk modell er utviklet for å undersøke distinkte piston-mode-perioder som kommer fra tvungne hiv- og stamp-bevegelser i moonpool-konfigurasjoner med henholdsvis to og tre moonpooler. Et litteraturstudie er gjennomført, med denne oppgaven som bakgrunn. Grunnleggende og relevant teori om moonpooler er lineær potensialteori og domenedekomposisjon, som begge er presentert i denne oppgaven. Modellforsøkene er gjennomført med tre forskjellige moonpool-konfigurasjoner i en modell som liker et ekte skip. Den første er med én stor moonpool, som er halve lengden og bredden til modellen, mens den andre består av to kvadratiske moonpooler. Den tredje består av tre kvadratiske moonpooler. Eksperimentene er gjennomført i Lilletanken i motsjø som består av regulære bølger med konstant steilhet. Resultat, hovedsakelig RAOer, er sammenlignet med numeriske simuleringer. Gode samsvar ved å sammenligne eksperimentelle resultat med numeriske simuleringer og publisert litteratur på den store moonpoolen er funnet. Avvik er hovedsakelig argumentert til å være ikke-uniforme respons-tidsserier og kobling mellom skipsbevegelsene og moonpoolrespons. Tilstedeværelsen av sloshing i den store moonpoolen adskiller responsen i jag sammenlignet med konfigurasjonene med to og tre moonpooler. Relative faser mellom moonpoolrespons i konfigurasjonene med to og tre moonpooler og strømnings-separasjon, som kommer fra piston-moden i disse konfigurasjonene, er argumentert å være viktige faktorer som forklarer kansellering i hiv. Den numeriske potensialteori-løseren WAMIT er brukt til å reprodusere eksperiment og til å gjennomføre parameterstudiet. WAMIT er også brukt til å verifisere den analytiske modellen. Resultat fra denne verifiseringen viser noenlunde gode samsvar mellom den analytiske modellen og numeriske simuleringer. Parameterstudiet undersøker sensitiviteten til skipsbevegelser og moonpoolrespons med varierende forhold mellom moonpoolbredde og skipsbredde i operasjonelle sjøtilstander. Fire sjøtilstander er valgt; alle basert på JONSWAP-bølgespekter. Resultat fra parameterstudiet viser særlig sensitivitet i hiv og for moonpoolrespons med varierende forhold mellom moonpoolbredde og skipsbredde. Denne oppførselen kan i stor grad skyldes økende bølgeradiasjon, som forekommer ved økende forhold mellom moonpool-volum og neddykket skipsvolum. Foruten konfigurasjonen med én moonpool, så er alle tre moonpool-konfigurasjoner relativt lite påvirket av forholdet mellom moonpoolbredde og skipsbredde i jag og stamp.

The present work investigates coupled moonpool and vessel responses. This is done through experiments and numerical simulations. A parameter study on the moonpool width-to-vessel beam ratio is also conducted. An analytical model is developed to investigate distinct moonpool piston mode periods arising from forced heave and pitch motions in configurations of two and three moonpools. A literature study is provided, with an emphasis on relevant literature for this thesis. Relevant and fundamental theory regarding moonpools are linear potential flow theory and domain decomposition, which both are outlined in the present work. The model experiments are conducted with three different moonpool configurations in a model resembling a real ship. The first configuration is of a single moonpool half the model length and half its beam, while the second consist of two square moonpools. The third configuration is of three square moonpools. The experiments were conducted in the laboratory Lilletanken (Small Towing Tank) in head-sea conditions of regular constant-steepness waves. Results, mainly Response Amplitude Operators (RAOs), are compared with numerical simulations. Good agreement is found comparing experiments to numerical simulations and published literature on the single-moonpool configuration. Discrepancies are mainly argued to be non-uniform response time series and coupling between the rigid body motions and moonpool responses. The presence of sloshing in the single-moonpool configuration distinguishes it's surge response compared to the other two configurations. Relative phases between moonpools in the two- and three-moonpool configuration and the flow separation arising from their piston mode response are argued to be main candidates to explain an observed cancellation in heave. The potential flow theory solver WAMIT is used in the numerical simulations to replicate the experiments and to conduct the parametric study. WAMIT is also used to verify the presently developed analytical model; whose results show fair agreement compared to numerical simulations. The parametric study investigates the sensitivity of rigid body motions and moonpool responses with varying moonpool width-to-vessel beam ratio in operational conditions. Four sea states of different peak period and significant wave heights are chosen, based on JONSWAP wave spectra. Results from the parametric study show sensitivity particularly of the heave motion and moonpool responses with varying moonpool width-to-vessel ratio. A main candidate to explain this behaviour is the increase in wave radiation, due to larger moonpool-to-submerged vessel volume ratio. Apart from the single-moonpool configuration in surge, all three moonpool configurations are relatively unaffected by the varying moonpool width-to-vessel ratio in surge and pitch.