Real-Time Simulation of Ship Waves

Abstract

Denne oppgåva har som mål å utvikle ei rutine for realistisk og effektiv visuell modellering av skipsbølgjer i sanntid. Formålet er å forbetre dei virtuelle miljøa der algoritmar som skal brukast i autonome fartøy enklare, raskare og tryggare kan trenast og testast på å kjenna att og reagera på verkelegsnære hendingar.

Nøyaktig implementering av skipsgenererte bølgjesystem er viktig for å forsikra at miljøet algoritmane trenar i er så realistisk som mogleg. Dersom det ikkje er tilstrekkeleg kan oppførsla til dei autonome fartøya bli upåliteleg når dei blir tatt i bruk i verkelegheita.

Tidligare har detaljerte resultat med høg presisjon blitt berekna ved bruk av blant anna Navier-Stokes løysarar. Grunna den store mengda beregningsinnsats som krevst ved bruk av slike metodar blir dei derimot rekna som uegna til bruk i sanntid.

For å ta tak i dette har ein framgangsmåte basert på Michells tynne skip teori blitt implementert, der ein bereknar skipsbølgjene i uendeleg og endeleg vanndjup ved hjelp av lineær potensialteori. Prosedyren tar utgangspunkt i den sanne skrogforma til fartøyet, men er avgrensa til bølgjemønsteret i fjernfeltet. Det blir vist at ein ved å ta utgangpunkt i forstyrringsmønsteret til Kelvins stasjonær fase modell for eit punkt som beveg seg på overflata, kan tilpasse den stabile løysinga til å ta omsyn til svinging og akselerasjon. I tillegg blir veggrefleksjonar og interaksjon mellom ulike bølgjemønster studert.

Den endelege prosedyren er i stand til å hurtig berekna bølgjemønsteret for fleire fartøy samtidig i ei rekkje ulike miljø, og viser godt kvalitativt samsvar med teorien. Berekna bølgjemotstands-koeffisientar blir verifisert ved bruk av relevante studiar som omhandlar linearisert teori for skips-bølgjer.

Vidare arbeid bør optimalisere prosedyren for å kunne bekrefta om den lar seg køyre i sanntid, samt validere bølgjemønsteret for svingande og akselererande fartøy ved å ta i bruk kvantitative samanlikningar. Nærværet av bølgjeskum i kjølvatnet, bølgjemønster i nærfeltet, og effekt av straumningar i vatnet bør òg implementerast.

Nøkkelord: skipsbølgjer, kjølvatn, bølgjemønster, simulering i sanntid, Michells tynne skip teori

The thesis aims to develop a routine for realistic and efficient visual modelling of ship waves in real-time. The purpose is to improve the purely virtual environments where algorithms to be used in autonomous vessels can more safely, more cost-efficiently and more rapidly be tested and trained on interpreting and reacting to real-life scenarios.

The accurate implementation of ship-generated wave systems is important to ensure the training environment of the algorithm is as realistic as possible. If not, the behaviour of autonomous vessel may become unreliable when applied in a real-world environment.

Previously, detailed results with high precision have been computed using for instance Navier-Stokes solvers. However, due to the computational effort required, such methods are not suitable for use in real-time simulations.

To address this, an approach based on the thin-ship theory of Michell (1898) has been implemented, enabling estimation of ship wakes in deep and finite water depth using linear potential flow theory. The procedure considers the true hull shape of the vessel but is limited to the far-field wave system. It was found that by utilising the disturbance pattern of Kelvin’s method of stationary phase for a single point source moving on the surface, the steady state solution may be adapted to also account for turning and acceleration of the vessel. In addition, wall reflections and wake interactions are implemented.

The final procedure is capable of rapidly computing the wave pattern for several vessels at a time in a large variety of environments, showing good qualitative agreement with the theory. Calculated wave resistance coefficients are verified according to relevant studies on linearised theory of ship waves.

Future research should optimise the procedure to properly investigate its ability to run in real-time, as well as validate the wave pattern for turning and accelerating vessels using more quantitative means of comparison. The presence of spray and foam in the wake region, the near-field wave pattern and the effect of current should also be examined.

Keywords: ship waves, wake, wave pattern, real-time simulation, Michell's thin ship theory