Thrust loss due to interaction with ship hull and bottom for ships in shallow waters

Abstract

Målet med denne master avhandlingen er et klart svar på spørsmålet: \emph{Er det en spesifikk effekt, eller kombinasjon av flere som forekommer på grunt vann og forårsaker thrust tap?}

Etter et relativt bredt litteratursøk og diskusjoner om forskjellige måter thrust tap kan forekomme på grunt vann, er Coanda effekten ansett for å være den mest trolige kilden til interaksjon med propellen. Både ventilasjon og thruster-til-thruster effekter er mulige, men interaksjonene forblir det samme på grunt vann som på dypt vann, og blir derfor nedprioritert.

Hypotesen foreslår at det ikke blir noe thrust tap spesifikt relatert til grunt vann, men thrust tap relatert til Coanda effekten blir vurdert. Ettersom propellstrålen kan interagere med den nye overflaten som blir introdusert ved grunt vann, havbunnen. Impliserer dette en motreaksjon til eventuelle thrust tap fra interaksjon mellom propellstråle og skrog.

Ved å studere metoder brukt innen CFD og analysere en 2D strømning, blir det gjort et forsøk på å demonstrere Coanda effekten med en RANS simulasjon. Målet har vært å undersøke effekten av grunt vann på Coanda effekten. Det rettes fokus mot å simulere strømningen realistisk og diskutere begrensningene til tilnærmingen.

I tillegg til mye bakgrunn innen CFD er det lagt innsats i hva slags typer thrust tap som er kjent eller typisk fra literatur. Fokuset er da på opphavet til interaksjonen, for å kunne anslå hva grunt vann vil kunne bety for effekten.

Thruster-til-thruster interaksjoner er hovedsakelig vurdert som et design problem. Ventilasjon er av stor interesse, men med bakgrunn i de skipene som denne studien retter seg mot, service og installasjonsskip som opererer med dynamisk posisjonering, er det såpass strenge reglementer som dikterer handlingsrommet for en operasjon, at forholdene som skal til for at ventilasjon skal kunne forekomme er usannsynlig å møte på.

The result envisioned for this project is a clear answer to the question: \emph{Is there a particular effect, or a combination thereof occurring in shallow waters that could cause severe thrust loss}?

After studying a broad spectrum of literature and discussing the impact of the different ways thrust loss might be achieved in shallow waters, the Coanda effect seems the most likely candidate to affect the thrust directly. Both ventilation and thruster-to-thruster effects might be equally possible, but are not a specific danger for shallow waters, which has remained the main focus of this thesis project.

The hypothesis proposes no thrust loss specifically related to shallow waters. However, thrust loss due to the Coanda effect is considered since the propeller jet may interact with the new surface, namely the sea bottom, implying a counter interaction to the Coanda effect interacting with the hull.

By studying CFD techniques and analyzing a 2D flow case, the thesis attempts to demonstrate the Coanda effect with a RANS simulation; the goal has been to investigate the impact of shallow waters on the Coanda effect. In addition, the thesis focuses on simulating the flow realistically and considering the debate regarding the limits of the approach.

Besides a thorough dive into CFD methods, the thesis is concerned with the essence of the problem. Mainly what types of thrust loss are typical and known from the literature. The primary considerations are towards the nature of the interaction and if and how shallow water might impact the interaction.

Thruster-to-thruster interaction is here considered mainly a design problem. Ventilation is a possibility and has been a subject of interest, but since the relevant vessels considered are service or installation ships operating in dynamic positioning with strict restrictions regarding the climate ahead of operations, the necessary climate for ventilation to occur is an unlikely encounter.