Numerical simulation of ship motion under consideration of design criterion for dynamic-positioning-systems
Creators: name: Theilen, Lasse
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: Dynamic-Positioning | Voith-Schneider-Propeller | Simulation of Ship Motion | Simulation of Dynamic Capability | Impulse-Response-Function
classificationCode: 6
subject: Technology::623: Military Engineering and Marine Engineering

description: The present thesis is concerned with the development and application of a simulation plattform called ”DPTool” for evaluating the Dynamic-Positioning (DP) capability of typical DP vessels with Voith-Schneider propellers in the time domain. The platform takes into account realistic environmental loads such as wind, waves, and currents, which have been investigated both numerically and experimentally. The numerical methods include simulating ship motion in waves, parameterizing control using system identification, and an allocation module for de termining control inputs to maneuvering devices. These methods are integrated into a holistic MATLAB/Simulink model as a ”Software-in-the-Loop” (SIL) and can be operated through a graphical interface. Ship motion is simulated using the ”IMPRES” method based on impulse response functions in potential theory. The DP system control is achieved through a nonlinear PID controller with a Kalman filter for ship motion in waves. An optimization algorithm is used for the allocation module to generate the required maneuvering forces realistically and efficiently within a short time. In the scope of this work, wind, current, and wave forces on two models, an offshore supply vessel and a tugboat, have been investigated and measured through experiments. Wind force measurements were conducted in the wind tunnel of the Hamburg University of Technology. The influence of the wind tunnel’s boundary layer was examined prior to the measurements. Flow forces were measured in the towing tank of SVA-Potsdam. For this purpose, the offshore supply vessel model was towed through the tank at various encounter angles and speeds using a force measurement carriage. A comparison of the evaluated experiments with three different numerical methods - a steady-state and a transient Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulation, as well as a hybrid Detached Eddy Simulation (DES) approach - quantifies the discrepancies between the various methods and the experiments. Determination of wave forces was achieved by restraining the model with springs, allowing for full first-order motion. The measurements were compared with three different numerical methods: a two-dimensional strip method PDStrip, a three-dimensional panel method in the frequency domain, and a transient RANS method. The impacts of deviations between experimental and numerically simulated forces on DP simulations are presented in the work through comparative simulations. The functionalities of the ”DPTool” are demonstrated in a use case, comparing a static method with the dynamic method developed in this work in the time domain.
description: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer Simulationsplattform ”DPTool” für die Bewertung der dynamischen Positionshaltefähigkeit (DP) von typischen DP-Schiffen mit Voith-Schneider-Propellern im Zeitbereich. Die Plattform berücksichtigt realistische Umweltbelastungen wie Wind, Wellen und Strömungen, die sowohl numerisch als auch experimentell untersucht wurden. Die numerischen Methoden umfassen die Simulation der Schiffsbewegung im Seegang, die Parametrierung des Reglers durch eine System-Identifikation und einem Allokationsmodul zur Festlegung der Steuergrößen an den Manövrierorganen. Die Methoden sind in einem ganzheitlichen MATLAB/Simulink-Modell als ”Software-in-the-Loop” (SIL) integriert und über eine graphische Oberfläche zu bedienen. Die Schiffsbewegung wird mit der auf den Impuls-Antwort-Funktionen basierenden Methode ”IMPRES” in der Potentialtheorie simuliert. Die Regelung des DP-Systems erfolgt durch einen nichtlinearen PID-Regler mit einem Kalman-Filter für die Schiffsbewegungen im Seegang. Ein Optimierungsalgorithmus wird für das Allokationsmodul verwendet, mit dem in kurzer Zeit und energieeffizient die erforderlichen Manövrierkräfte realistisch erzeugt werden können. Im Rahmen der Arbeit sind die Wind-, Strömungs- und Wellenkräfte an zwei Modellen, einem Offshore Versorger und einem Schlepper, in Experimenten untersucht und gemessen worden. Die Messungen der Windlasten wurden in dem Windkanal der Technischen Universität Hamburg durchgeführt. Im Vorlauf der Messungen ist der Einfluss der Bodengrenzschicht des Windkanals untersucht worden. Die Strömungskräfte sind in dem Schlepptank der SVA-Potsdam gemessen worden. Hierfür ist das Modell des Offshore Versorgers an einer Kraftmesswaage mit verschiedenen Begegnungswinkeln und Geschwindigkeiten durch den Tank geschleppt worden. Ein Vergleich der ausgewerteten Experimente mit drei verschiedenen numerischen Methoden, einer stationären und einer transienten RANS Simulation sowie einem hybriden DES Ansatz, quantifiziert die Abweichungen der unterschiedlichen Methoden zum Experiment. Die Ermittlung der Wellenkräfte wurde durch eine Einspannung des Modells mit Federn realisiert, sodass Bewegungen erster Ordnung vollständig möglich waren. Die Messungen wurden mit drei verschiedenen numerischen Methoden verglichen: einer zweidimensionalen Streifenmethode PDStrip und einem dreidimensionalen Paneelverfahren im Frequenzbereich sowie einem RANS Verfahren. Die Auswirkungen der Abweichungen zwischen den experimentellen und den numerisch simulierten Kräften auf die DP-Simulationen sind in der Arbeit durch vergleichende Simulationen dargestellt. Die Funktionalitäten des ”DPTool” sind in einem Anwendungsfall gezeigt. Dabei ist ein Vergleich einer statischen und der in dieser Arbeit entstandenen dynamischen Methode im Zeitbreich verglichen worden.