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Analysis of flow phenomena inside moonpools in operational and transit conditions
Löhrmann, Jan
The flow phenomena inside moonpools under different conditions have been analysed within this thesis. The water oscillation behaviour was investigated for moonpool geometries of different size and length to breadth ratio for the ship in transit condition at different Froude numbers, as well as for operational condition with the ship at rest. Calm water, as well as regular waves of different wave directions were included in the test matrix. Investigations have been performed experimentally and numerically using a viscous flow solver. Additionally, the damping performance of perforated bulkheads inside moonpools was experimentally analysed. A numerical damping approach, which mimics the effect of perforated bulkheads without the need for highly complex grids, has been implemented into the numerical solver and validated against experimental data. The overall performance of this new approach is very satisfactory and can be used for accurate numerical simulations, while avoiding high computational costs.
The water column motion in moonpools can be characterised by piston or sloshing type. It is common practice to determine the natural piston type motion by different empirical or semi-analytical methods. The investigation within this thesis revealed a significant dependency of the frequency on the forward ship speed. A new empirical model for a velocity dependent piston type frequency has been developed, which aims at improving the accuracy of existing methods. The new model performs satisfactory for the investigated ship type and moonpool geometries. The model should however be enhanced using more data of different ships and moonpools, to strengthen its general applicability.
In dieser Dissertation wurden Strömungsphänomene in Moonpools unter verschiedensten Zuständen untersucht. Das Verhalten der Wassersäulenoszillation wurde für Moonpools von unterschiedlicher Größe und Längen- Breitenverhältnis, sowie für das Schiff in Fahrt mit variierenden Froudezahlen, als auch für das Schiff ohne Fahrt analysiert. Die Untersuchungen fanden für Glattwasserzustände, als auch für harmonische Wellen unterschiedlicher Länge und Richtung statt. Hierfür wurden sowohl Experimente mit einem Schiffsmodel, als auch numerische Simulation mit einem viskosen Verfahren durchgeführt. Zusätzlich wurde der dämpfende Einfluss von Lochblechgittern in Moonpools experimentell analysiert. Das numerische Verfahren wurde dahingehend weiterentwickelt um diesen Einfluss zu Berücksichtigen, ohne jedoch der Notwendigkeit von komplexen Gittern. Zur Validierung dieses Verfahrens wurden eigens angefertigte, vergleichbare experimentelle Daten herangezogen. Der numerische Dämpfungsansatz erzielt sehr zufriedenstellende Ergebnisse und kann bspw. für hochgenaue Simulationen verwendet werden, bei gleichzeitiger Vermeidung von rechenintensiven Gittern.
Die Oszillation der Wassersäule von Moonpools wird generell in eine Hub-Bewegung und Sloshing-Bewegung unterteilt. Es ist gängige Praxis die Frequenz der Hub-Bewegung durch vorhandene empirische oder semi-analytische Methoden zu bestimmen. Die durchgeführten Untersuchungen in dieser Arbeit zeigten eine signifikante Abhängigkeit dieser Frequenz von der Schiffsgeschwindigkeit. Daher wurde ein empirisches Model entwickelt, welches die Frequenz in Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit bestimmt und zur Verbesserung der Genauigkeit bisheriger Methoden abzielt. Die neu entwickelte Methode erzielt zufriedenstellende Ergebnisse für das untersuchte Schiff und die jeweiligen Moonpool Geometrien, sollte jedoch anhand weiterer Daten anderer Schiffsmodelle und Moonpools erweitert werden, um dessen generelle Einsetzbarkeit zu stärken.
