Performance of azimuth and bow thrusters during ship maneuvers
Creators: name: Wang, Keqi
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2025
Subjects: subject: Maneuvering Model
subject: Active Maneuvering Devices
subject: Computational Fluid Dynamics
subject: Artificial Neural Network
classificationCode: 6
subject: Technology::620: Engineering
classificationCode: 6
subject: Technology::629: Other Branches::629.8: Control and Feedback Control Systems::629.89: Computer-Controlled Guidance
classificationCode: 0
subject: Computer Science, Information and General Works::004: Computer Sciences

description: Active maneuvering devices improve the maneuverability of a vessel during departure and arrival, reducing the need for tug assistance. However, their operation in significant oblique flow conditions leads to complex flow behaviors, posing challenges in predicting the ship's response within the port environment. This thesis develops an advanced maneuvering model that accounts for asymmetric flow interactions between the hull and maneuvering devices. An offshore supply vessel equipped with two stern azimuth thrusters and one bow thruster serves as the application case. The hydrodynamic performance of the vessel is evaluated using Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS) simulations. Azimuth thrusters, being directly exposed to external flow, are highly sensitive to oblique inflow conditions. Under such conditions, the deformed propeller slipstream can result in the generation of thrust in excess of that observed under bollard pull conditions. This study identifies critical operating ranges to mitigate propulsion system failure through a systematic analysis of azimuth angles (from 0° bis +-180°), azimuth speeds, and ship speeds. The results of numerical simulation also support the development of an Artificial Neural Network (ANN) model for fast predicting the performance of thruster. In contrast, the bow tunnel propeller is shielded from external flow. As a result, the oblique flow may not have a significant effect on the performance of the propeller. However, the effects of the slipstream-hull interaction are taken into account. To evaluate these interactions, static simulations are performed on a vessel equipped with a single bow thruster at varying ship speeds and inflow angles. The transient effects of the slipstream are further analyzed by numerical Planar Motion Mechanism (PMM) tests. These tests not only capture transient phenomena, but also determine hydrodynamic derivatives which are subsequently integrated into the maneuvering model. To fully extract the interaction effects, the PMM tests are performed separately for the ship with and without tunnel thruster. Finally, a maneuvering model is developed for ships equipped with two azimuth thrusters and one bow thruster. Using this model, turning circle simulations under various azimuth speeds, azimuth angles, and wake-field conditions demonstrate its effectiveness in predicting the ship's maneuvering performance.
description: Manövrierorgane verbessern die Manövrierfähigkeit eines Schiffes beim An- und Ablegen und reduzieren den Bedarf an Schlepperhilfe. Bei starker Schräganströmung verursachen sie jedoch ein komplexes Strömungsphänomen, das die Vorhersage des Schiffsverhaltens im Hafenbereich stark einschränkt. In der vorliegenden Arbeit wird ein erweitertes Manövriermodell entwickelt, welches die asymmetrischen Strömungsinteraktionen zwischen Schiffsrumpf und Manövrierorganen berücksichtigt. Als Anwendungsfall dient ein Offshore-Versorgungsschiff mit zwei Azimutantrieben am Heck und einem Querstrahlruder am Bug. Das hydrodynamische Verhalten des Schiffes wird mithilfe von Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS)-Simulationen untersucht. Azimutantriebe, die direkt der Außenströmung ausgesetzt sind, reagieren empfindlich auf Schräganströmung. Unter bestimmten Bedingungen kann der Propellerschub den Pfahlzug übersteigen. Um Ausfälle des Antriebssystems zu vermeiden, identifiziert die vorliegende Studie kritische Betriebsbereiche, indem Azimutwinkel von 0° bis +-180° sowie Azimut- und Schiffsgeschwindigkeiten systematisch analysiert werden. Die numerischen Simulationen unterstützen zudem die Entwicklung eines Künstliche-Intelligenz (KI)-Modells für die schnelle Vorhersage der Auswirkungen des Antriebssystems. Im Gegensatz zum Azimutantrieb ist das Bugstrahlruder durch den Schiffsrumpf vor der Außenströmung geschützt, sodass seine Wirkung durch Schräganströmung nicht wesentlich beeinflusst wird. Die Wechselwirkung zwischen dem Propellerstrahl und dem Schiffsrumpf muss jedoch berücksichtigt werden. Daher werden statische Simulationen für ein Schiff mit einem Bugstrahlruder bei verschiedenen Schiffsgeschwindigkeiten und Anströmwinkeln durchgeführt. Zusätzlich werden die dynamischen Effekte des Propellerstrahls mithilfe numerischer Planar Motion Mechanism (PMM)-Versuche analysiert. Diese ermöglichen nicht nur die Erfassung instationärer Strömungsphänomene, sondern auch die Ermittlung von Manövrierkoeffizienten, die anschließend in das Manövriermodell integriert werden. Zur vollständigen Erfassung der Wechselwirkung werden die PMM-Versuche sowohl mit als auch ohne Querstrahler durchgeführt. Schließlich wird ein Manövriermodell für das Schiff mit zwei Azimutantrieben und einem Bugstrahlruder entwickelt. Mithilfe dieses Modells wird die Manövrierfähigkeit des Schiffes bei Drehkreismanövern unter verschiedenen Azimutgeschwindigkeiten, Azimutwinkeln und Strömungsbedingungen bewertet.