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Main Title: Ein Beitrag zur dynamischen Analyse der hydroelastischen Eigenschaften kabelgebundener Tiefseegeräteträger
Translated Title: A Contribution to the dynamic Analysis of hydro-elastic Properties of Umbilical tethered deepwater Shuttle Systems
Author(s): Hoog, Sven
Advisor(s): Clauss, Günther F.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Eroberung der Tiefsee (oder des inner space in Analogie zum outer space - dem Weltraum) wird technologisch maßgeblich im Zusammenhang mit der Exploration und Exploitation neuer Offshore-Vorkommen durch die Öl- und Gasindustrie vorangetrieben. Eine Schlüsselrolle fällt dabei den so ge-nannten Unmanned Underwater Vehicles (UUVs) zu, wozu neben den Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) auch die Remotely Operated Vehicles (ROVs) gehören. Letztere traten vor ca. 30 Jahren ihren Siegeszug in die Tiefe der Meere an und haben sich seitdem zu einer zuverlässigen Standardtechnologie für alle Bereiche der Offshore- und Meeresforschungstechnik entwickelt. Begleitet wird die Praxis durch zahlreiche theore-tische Untersuchungen sowie Modell- und Großversuche zu Fragen der Statik und Dynamik kabelgebundener Systeme. Die Gesamtsysteme bestehen zumeist aus einer Einsatzplattform (Schiff, Kranbarge oder Halbtaucher), einem Multifunktionskabel (umbilical) und dem angehängten Geräteträger (ROV, Schleppfisch, etc.). Ein Vertreter dieser Geräteklasse ist mit dem MODUS (MObile Docker for Underwater Sciences) an der TU Berlin im Einsatz. Er stellt ein 'Arbeitspferd’ zum kontrollierten Absetzen und Bergen schwerer Forschungsstationen in bis zu 4000 m Wassertiefe dar. Als systemimmanentes dynamisches Problem erweist sich die direkte Kopplung der Tauch- und Stampfbewegungen des Einsatzfahrzeugs mit dem am Kabel hängenden vertikal gebundenen oder geschleppten Geräteträger. Durch die Übertragung der durch die Wellen induzierten Bewegungen des Einsatzfahrzeugs sowie weiterer hydroelastischer Effekte über das umbilical werden vertikale Oszillationen des Geräteträgers induziert, die dessen dynamisches Verhalten und die Stabilität im Einsatz negativ beeinflussen können: Infolge hoher Trägheits- und Widerstandskräfte können die getauchten Systemkomponenten bei ungünstiger Bewegungscharakteristik den vertikalen Oszillationen des Kabels nicht direkt folgen, was zu den gefürchteten slack-cable Situationen führen kann. Während dieser kurzen Momente erfährt die Kabelschnittkraft einen Nulldurchgang, und die Bewegungen des Einsatzfahrzeugs und des getauchten Systems sind entkoppelt. Die im nächsten Moment abrupt einsetzende Straffung des Kabels führt zu gefährlich hohen Kraftspitzen (snap loads) am oberen und unteren Kabelaufhängepunkt und störenden Taumelbewegungen des Geräteträgers, wobei irreguläre Oszillationen mit unterschiedlichen Amplituden, Fre-quenzen und Phasen auftreten. Die dynamische Charakteristik des Systems hängt dabei entscheidend von den geometrischen Eigenschaften des Geräteträgers sowie den operativen Bedingungen ab, die folglich zu den wichtigsten Entwurfsaspekten gehören. Die vorliegende Arbeit stellt Modell- und Großversuche mit dem exemplarischen Geräteträger MODUS vor, die zur Bestimmung der hydrodynamischen Koeffizienten als auch der Kräfte und Beschleunigungen am oberen und unteren Kabelende zum einen in Versuchsanlagen und zum anderen während Tiefseeeinsätzen mit Forschungsschiffen durchgeführt wurden. Ein zu diesem Zweck neu entwickeltes Prototypsystem einer online Datenerfassung wurde in Feldeinsätzen mit ebenfalls neu entwickelten Messsensoren getestet. Die erzielten Ergebnisse wurden in einer eigens erstellten Datenbankanwendung gespeichert und damit systematischen Analysen zugeführt. Parallel erstellte CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) liefern Aussagen über Strukturwiderstand und Nachstromfelder für die relevanten Fahrtrichtungen unter Berücksichtigung viskoser Effekte. Die Resultate können den Entwurf von Geräteträ-gern sowie von Seegangskompensatoren unterstützen und dienen hier der Bestätigung von Software zur dynamischen Bewegungssimulation. Letztere wurde an der TU Berlin entwickelt und berücksichtigt irreguläre Seegänge, hydroelastische Aspekte und Queranströmung und ermöglicht die Auswertung im Frequenz- und Zeitbereich.
The conquering of deepwater - or inner space - is technologically mainly driven by exploration and exploitation activities of the offshore Oil and Gas industry. Key tools permitting and supporting these interventions are Unmanned Underwater Vehicles (UUV) comprising both Autonomous Underwater Vehicles (AUV) and Remotely Operated Vehicles (ROV). Consequently, during the last 30 years standard ROV technology evolved to a reliable everyday tool, used in all fields of oceanographic engineering. This growing ROV market initiated numerous theoretical investigations and sea trials covering the entire scheme of static and dynamic problems during operation. Vertically tethered as well as towed body systems are characterized by hydroelastic effects, influencing the safe and reliable overall performance. These systems comprise, in general, of an operating vessel, a tether, umbilical or towing cable and the suspended or towed sensor carrier, respectively. The tether or umbilical connecting the ship with the submerged sensor carrier enables the system to stay underwater almost without time restrictions. An exemplary deep ocean shuttle system is available at the Technical University of Berlin for project operations and full-scale tests down to 4000 m water depth. The so-called MODUS (MObile Docker for Underwater Sciences) is a versatile ‘workhorse’, able to deploy and recover various sea bottom stations and support deep sea missions like exact sampling or extended video survey. The system offers a wide spectrum of activities, fully controlled by the operator on board the ship. Although many times approved, a system immanent problem still remains, as there is the coupling of heave and pitch motions of the vessel with subsequent vertical oscillations of the suspended carrier due to the transmission of these wave induced ship motions along the free hanging submarine umbilical. Basically, the dynamic behavior and stability of the submerged carrier is a key design aspect, dealing with the prediction of critical operation conditions and the definition of system downtime. Consequently, investigations focus on the determination of response amplitude amplifications of vertical motions and loads, depending on geometric configurations, as well as operational and environmental conditions: Due to high inertia and drag forces the descended components may not follow the umbilical oscillations, resulting in harmful slack cable situations. During these short moments the cable tension decreases to zero, and the motions of the ship (the cable suspension point) and the submerged structure are decoupled. Subsequent large snap loads and erratic motions of the sensor carrier may occur due to independent oscillations with different amplitude and phase of the upper cable suspension point and the descended module. The presented work describes model tests and full-scale experiments with the exemplary deep sea shuttle MODUS, determining hydrodynamic coefficients as well as vertical forces and accelerations at the suspension point and at the lower cable end during transit from sea surface to sea bottom and vice versa. Simulations with methods of CFD (Computational Fluid Dynamics) consider viscous effects and lead to characteristic drag coefficients and wake fields for vertical and horizontal structure motions. Results of these investigations verify and validate results obtained by dynamic simulation software, developed in-house, considering nonlinear hydroelastic effects of cable dynamics, current and irregular sea states in frequency and time domain. Goal is to provide relevant information for the downtime prediction of umbilical tethered carriers as well as for the development of winches and active heave compensation systems for the operation in arbitrary sea states and with various wave/ship encounter angles.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11714
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1558
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1261
Exam Date: 8-Jul-2005
Issue Date: 20-Dec-2005
Date Available: 20-Dec-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): CFD
Dynamik
Modellversuche
ROV
Tiefwasser
CFD
Deepwater
Dynamics
Model Tests
ROV
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