Analysis of wave resonant effects in-between offshore vessels arranged side-by-side

La prediccion de la interaccion hidrodinamica entre dos cuerpos flotantes en la configuracion side-by-side (lado-a-lado) se ha convertido en un importante y complicado problema en los ultimos anos. Esta situacion es relevante cuando se trata de tomar decisiones sobre la viabilidad de una serie de operaciones offshore, principalmente relacionadas con el proceso de transferencia de carga liquida entre dos cascos. Esta tesis se profundiza en algunos aspectos hidrodinamico relevantes que surgen cuando es necesario llevar a cabo operaciones offshore con dos cuerpos flotantes en la configuracion side-by-side. El principal objetivo de la tesis, esta orientado al analisis de la influencia del gap entre los cuerpos, asi como del calado de los mismos, sobre la solucion hidrodinamica. Una determinada configuracion, compuesta por una barcaza (barge) y un modelo geosim (barcaza prismatica), ha sido investigada en detalle. Esto se asemeja a una configuracion de un sistema de descarga entre la unidad de produccion y almacenamiento FLNG (Floating Liquid Natural Gas) y un LNGc (Liquid Natural Gas carrier). Dos valores de gap y dos valores de calado para la barcaza se han considerado para diferentes oleajes regulares en el Canal de Ensayos Hidrodinamicos (tipo tanque de remolque) de la ETSIN en la Universidad Politecnica de Madrid (UPM). La realizacion de ensayos de comportamiento en la mar en un tanque de remolque (como lo de que se dispone) puede ser comprometida por la existencia de la reflexion de la ola por las paredes laterales del tanque, que inevitablemente se genera en cuanto los modelos estan situados a pequena distancia de las paredes. Con el fin de minimizar estos efectos la unica condicion con mar de proa ha sido considerada y los efectos debidos a la reflexion de la ola se han tenido en cuenta en los modelos numericos. El movimiento del geosim se ha restringido a avance (surge), arfada (heave) y cabeceo (pitch) (solo movimientos en el plano vertical), mientras que la barcaza se ha mantenido fija. Esto implica que el valor del gap entre los cuerpos se mantiene constante durante cada ensayo y que las incertidumbres con respecto al amortiguamiento en balance (roll) no son consideradas. La aplicacion de estas restricciones de movimientos elimina la necesidad de tener en cuenta el amortiguamiento de balance en los modelos numericos, lo que permite un enfoque mas robusto para su validacion utilizando estos experimentos. De esta manera un nuevo paradigma mas robusto de las referencias existentes es ofrecido a la comunidad hidrodinamica para los analisis hidrodinamicos de sistema offshore en la configuracion side-by-side. Las simulaciones numericas se han realizado con los software WAMIT, AQWA (ANSYS) y TDRPM (Time Domain Rankine Panel Method) que es un codigo en el dominio del tiempo desarrollado por el ”Offshore Numerical Tank” de la Universidad de Sao Paulo (Brasil). En todos los casos, las RAOs (Response Amplitude Operator) numericas y experimentales, en terminos de movimientos del Geosim y de altura de ola en el gap, se han obtenido y comparado. La influencia de las paredes del tanque de ensayos sobre la solucion numerica se ha reproducido con exactitud. Para este objetivo, paredes virtuales se han creado en el modelo numerico, por medio de simetrias de los modelos. Tambien, la de influencia del gap en los resultados numericos se ha estudiado variando la distancia de separacion entre los cuerpos, identificando los intervalos con comportamiento resonante en terminos de movimiento y de altura de ola en el gap. La influencia del calado de la barcaza sobre el comportamiento hidrodinamico tambien ha sido investigada. En el conjunto de los analisis, los resultados numericos muestran un comportamiento resonante en ciertas frecuencias, en relacion al movimiento del GEOSIM y de la altura de ola en el gap, que no se observa experimentalmente. Con el fin de manejar las frecuencias de resonancia no fisicas presentes en el modelo numerico, un procedimiento para introducir un factor de amortiguamiento que atenua la amplitud de la ola a lo largo del gap (en el TDRPM y AQWA) se ha propuesto, calibrado y validado con los datos experimentales. ABSTRACT The prediction of the hydrodynamic interaction between two vessels in side-by-side configuration has become an important and difficult problem in recent years. The matter is relevant when it comes to making decisions about the feasibility of a number of offshore operations, mostly related to liquid cargo transfer between vessels. Following this motivation, this thesis investigates some hydrodynamic aspects of a floating two body system in side-by-side configuration. The topic has been geared towards analysing the influence of the vessels’ gap and draft. The need to solve this problem arises when one wants to study the gap flow after making parametric variations on the separation between the vessels and on the vessels’ draft. A specific configuration, composed of a barge and a prismatic geosim, has been investigated in detail. This configuration resembles that of an LNG carrier being transferred cargo from a floating LNG extraction and processing unit. Two gap values and two barge draft values have been considered. Regular wave tests have been performed in the model basin (towing tank type) of the Technical University of Madrid (UPM), at the ETSIN faculty. Conducting seakeeping tests in a towing tank can be difficult due to the existence of wave reflections on the lateral walls of the tank, inevitably located at a short or intermediate distance from the models. In order to minimize these effects only head sea condition has been considered and heave reflections have been accounted for in the numerical models. The motion of the geosim has been restricted to surge, heave and pitch (only motions on the vertical plane), whereas the barge has been kept fixed. This implies that value of the gap remains constant during each test and uncertainties regarding roll damping are removed. Implementing these motion restrictions eliminates the need to account for roll damping in the numerical models, thus allowing a more robust approach to their validation using these experiments. This way a new more robust than existing benchmark paradigm is offered to the hydrodynamic community intested in side-by-side configuration. Numerical simulations have been performed using WAMIT, AQWA (ANSYS) and a timedomain Rankine Panel Method (TDRPM) developed by the Offshore Numerical Tank of the University of Sao Paulo (Brazil). In all cases the numerical and experimental response amplitude operators (RAOs), in terms of geosim’s motions and wave surface elevation in the gap, have been obtained and compared with the experiments. The influence of the basin walls on the numerical hydrodynamic solution has been accurately reproduced. To this purpose, symmetric virtual walls have been created in the numerical model. The influence of the gap on the numerical results has been studied varying the gap value and identifying resonant behavior intervals in the motion and wave amplitude RAOs. The influence of the barge draft on the hydrodynamic behavior has been also investigated. In both sets of analysis, the numerical results indicate a resonant behavior in certain frequencies, regarding the vessel motion and the wave elevation in the gap, which is not found in the experiments. In order to handle the unphysical resonance frequencies present in the numerical model, a procedure for introducing an external damping factor that attenuates the wave amplitude along the gap in the time-domain RPM and AQWA has been proposed, calibrated and validated against the experimental data.