Prediction of Maneuverability on Double-Ended Ferry

Abstract

Ein balanse mellom motstand og manøvrering av eit fartøy er ei utfordring som ofte vert møtt av skipsdesignarar. Dei siste åra har merksemda rundt grøn transport og moglegheita for alternativ drivstoff endra balansen, noko som resulterer i mindre merksemd på manøvrering. Den Internasjonal sjøfartsorganisasjon (IMO) og Internasjonal organisasjon for standardisering (ISO) har utvikla standard manøvreringstestar og kriterium for å evaluere skipet si evne for å oppretthalde sikkerheita til sjøs. Verktøy for tidleg predikasjon for manøvrering kan vere avgjerande for at ein designar oppnår desse krava.

Ulike typar simuleringar har vore utført på ei dobbeltenda nullutslepp-bilferje utvikla av Havyard Design and Solution (HDS). Simuleringane blei utført i SINTEF Ocean sin hydrodynamiske arbeidsbenk ShipX. Simulatoren bruker hydrodynamiske koeffisientar som beskriv krefter eit fartøy opplever med forskjellege hastigheiter og akselerasjonar. Planrørslemekanismen (PMM) modelltestar, skråsleps testar av modellen og ein ikkje-viskøs metode i ShipX blei brukt til å finne desse koeffisientane. Det vart utført to typar prediksjonsmetoder; ein 3-gradar av fridom (DOF) matematisk modell (SIMAN) og en 6-DOF tidsdomen-simulering (VeSim). Alle simuleringane vart validerte med fullskala prøveresultat av fartøyet.

Dette er første gang ein PMM-modelltest har vorte utført på ein slik type fartøy. PMM-testane og skråslepstestar av modellen vart utført i SINTEF Ocean sin slepetank utan propellar, like eins med den ikkje-viskøse metoden i ShipX, HullVisc. Framdriftssystema blei tilsette i simuleringa etter at dei hydrodynamiske koeffisientane blei funne. Resultata viste at skipssimuleringa (VeSim) med HullVisc og PMM-koeffisientar ikkje klarte å fange effekten av det fremre ror, og undervurderte akselerasjonsmotstanden i gir. En konsekvens var underestimering av tida mellom overskridingsvinklar i Zig-Zag manøveren. Dette påverka i tillegg akselerasjonen av drivvinkelen i svingsirkel manøveren, noko som resulterte i ein liten ulikskap i avansert avstand.

Simuleringane vart utført med ein konvensjonell propell og ror grunna problem i VeSim. Rorkrafta blei innstilte like eins med podkreftene som vart funne i programmet Simulering av Manøvrerbarheit av et Skip (SIMAN). Dette skapte utfordringar sidan sidekreftene i en pod-modell og eit ror har forskjellege kraftgang i forskjellege vinklar. Spiralmanøvreringen viste liknande resultat med en ror og pod vinkel opp til 20-25 grader. Ein rorvinkel høgare enn dette gav for høg sidekraft. Det krevjast ein rett pod-modell for å kunne bekrefte resultata.

Simuleringar med PMM -resultat, gav meir eller mindre eksakte løysingar av overskridingsvinklar i Zig-Zag manøveren. Resultata frå kalkulerte koeffisientar i ShipX gav gode resultat i Zig-Zag 5/5 og 10/10 manøvrar, men undervurderte driftsvinklane ved Zig-Zag 20/20 manøvrar. Resultata frå svingkretsmanøveren viste gode resultat med PMM-koeffisientar med ein rorvinkel på 25 grader. Grunna modifisering av rorkreftene blei det hevda at dette representerte en 35-graders podevinkel. Koeffisientane frå HullVisc undervurderte fartøyet sin drivvinkel, noko som resulterte i at fartøyet kom inn i svingkretsmanøveren for å raskt og undervurderte den avanserte avstanden.

VeSim er for augneblikket ikkje tilpassa dobbeltferjer. Sidan resultata allereie viser fornuftige verdiar, er det mellombels rimeleg å tru at eit godt nok tidlegfaseverktøy kan etablerast. For å gjere dette krevst det en skikkelig podmodell i VeSim og en bedre modell av fremre rors krefter.

A balance between resistance and maneuverability of a vessel is a challenge often met by ship designers. In the past years, the attention of green transport and the possibility for alternative fuel have altered the balance, resulting in less attention to maneuvering. The International Maritime Organization (IMO) and International Organization for Standardization (ISO) have developed standard maneuvering tests and criteria to evaluate the ship performance to maintain the safety at sea. Early-stage prediction tools for vessel maneuverability may be essential for a designer to meet these requirements.

Different types of simulations have been performed on a zero-emission double-ended car ferry developed by Havyard Design and Solutions (HDS). The simulations were performed in SINTEF Ocean's hydrodynamic workbench ShipX. The simulator uses hydrodynamic force coefficients that describe the forces the vessel experiences at different velocities and acceleration. Planar Motion Mechanism (PMM) model tests, oblique model towing tests, and an inviscid method in ShipX was used to find these coefficients. Two types of prediction methods were performed, one 3-Degrees of Freedom (DOF) mathematical model (SIMAN) and one 6-DOF time-domain simulation (VeSim). All the simulations were validated with full-scale trial results of the vessel.

This is the first time PMM model tests have been performed on this type of vessel. The PMM and oblique model tests were performed in SINTEF Ocean's towing tank without propellers, as in the inviscid method in ShipX, HullVisc. The propulsion systems were added in the simulation after the hydrodynamic coefficients were found. The results showed that the Vessel Simulator (VeSim) with HullVisc and PMM coefficients did not manage to capture the effect of the fore rudder/pod and underestimated the resistance of acceleration in yaw. A consequence of this was the underestimation of the time between overshoot angles in the Zig-Zag maneuver. This also affected the acceleration of the drift angle in the turning circle maneuver, resulting in a small difference in the advanced distance.

The simulations were performed with a conventional propeller and rudder due to issues in VeSim. The rudder forces were tuned similarly to the pod forces found in Simulation of Maneuverability of a Ship (SIMAN). This presented challenges since the lateral forces in a pod model and a rudder have different power tracks at various angles. The spiral maneuver showed similar results with a rudder and pod angle up to 20-25 degrees. A rudder angle higher than this gave too high lateral force. A proper pod model is required to verify the results.

Simulations with the PMM results gave more or less exact solutions of overshoot angles in Zig-Zag maneuvers. The results from calculated coefficients in ShipX gave good results in Zig-Zag 5/5 and 10/10 maneuvers, but underestimated the drift angles at Zig-Zag 20/20 maneuver. The results from the turning circle maneuver showed good results with PMM coefficients at a rudder angle of 25 degree. Due to tuning on rudder forces, it was argued that this represented a 35 degree pod angle. The coefficients from HullVisc underestimated the vessel's drift angle, resulting in the vessel entering the turning circle maneuver too quickly and underestimated the advanced distance.

VeSim is currently not adapted to double-ended ferries. However, since the results already show reasonable values, it is reasonable to believe that a good enough early-phase tool can be established. To do so, a proper pod model in VeSim and a better model of the fore rudder's forces is required.