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Main Title: Optimierung eines seegangsunabhängigen Ölskimmers durch numerische und experimentelle Analysen
Translated Title: Optimization of a sea state independent oil skimming system by numerical and experimental analyses
Author(s): Abu Amro, Mazen
Advisor(s): Clauss, Günther
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Diese Dissertation präsentiert die Optimierung des (weitgehend) seegangsunabhängigen Oel-Skimmers SOS durch numerische und experimentelle Analysen. Hierbei wird die Leistungsfähigkeit des SOS bei der Bekämpfung von Ölunfällen auf hoher See untersucht. Bei diesen Einsätzen - insbesondere bei rauem Seegang - weist der SOS einen hohen Wirkungsgrad gegenüber bisher eingesetzten Ölunfallbekämpfungssystemen auf. Der SOS besitzt keine beweglichen Teile und besteht aus einem Moonpool (Ölauffangbecken) und einem Ponton (Bugsegment), welcher über die im Seegang heftig bewegte, ölverschmutzte Wasseroberfläche gleitet. Hierbei strömt die Ölschicht unter den Ponton auf eine im hinteren Bereich quer laufende Separationsklinge zu, die für eine Trennung von Öl und Wasser sorgt und das Ölauffangbecken von der Wellenwirkung abschirmt. Durch die Fahrtgeschwindigkeit entsteht an der Hinterkante des Bugsegments ein Wirbel, der die einströmenden Ölpartikel zusätzlich in Richtung der Wasseroberfläche des Moonpools beschleunigt. Das im Moonpool aufschwimmende Öl wird durch Sloshingbewegungen, die durch Schiffsbewegungen im Seegang hervorgerufen werden, über eine justierbare Böschung in einen Setztank (Ölsumpf) befördert, von wo es in konzentrierter Form abgepumpt wird. Die ersten Untersuchungen haben gezeigt, dass zur Optimierung des SOS zahlreiche Versuche mit verschiedenen Geometrien sowohl in Glattwasser als auch im Seegang erforderlich sind. Um den für die Versuche erforderlichen Zeit- und Kostenaufwand zu minimieren, werden CFD-Verfahren (Computational Fluid Dynamics) zur Analyse der komplexen Strömungsvorgänge um den Skimmer und im Moonpool eingesetzt. Hierbei zeigen die numerischen Analysen, dass der Widerstand an der Einlassöffnung des Moonpools minimal sein muss, um einen kontinuierlichen Durchfluss gewährleisten zu können. Ferner wird nachgewiesen, dass die Wirbel im Moonpool durch sog. CUSP-Formen trotz Sloshingbewegungen stabilisiert werden. Aufbauend auf den numerischen Untersuchungen wird der SOS in den Modellmaßstäben 1:15 und 1:9 in ein Ölunfallbekämpfungsschiff integriert. Im Rahmen von Schleppversuchen im Wellenkanal wird das dynamische Seegangsverhalten des Gesamtsystems (Trägerschiff + SOS) analysiert und optimiert. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass ein fest integrierter Skimmer (keine beweglichen Teile) im Hinblick auf das Einsatzspektrum des Gesamtsystems - insbesondere im Seegang - einer gelenkigen Verbindung zwischen Schiff und Skimmer vorzuziehen ist. Anschließend wird der fest integrierte SOS mit verschiedenen Ölsorten in irregulären Seegängen und bei unterschiedlichen Fahrtgeschwindigkeiten analysiert und hinsichtlich des Wirkungsgrads optimiert. Während der Versuche zeigt sich, dass im Moonpool Sloshingeffekte entstehen, welche durch die Schiffsbewegungen im Seegang hervorgerufen werden. Durch Integration von Kreissegmentböschungen lassen sich die Sloshingbewegungen gezielt dämpfen und für den Transport des Öls in Setztanks nutzen, ohne dass hierzu mechanisch bewegte Teilsysteme nötig sind. Die Anpassung der Dämpfung an die jeweils herrschenden Seegangsbedingungen wird über eine Höhenverstellung der Kreissegmentböschungen realisiert. Die gewonnenen Ergebnisse der Ölversuche zeigen, dass der optimierte Skimmer bei Glattwasser und im Seegang einen Wirkungsgrad von 70 % bis 95 % erzielt. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern neue Erkenntnisse bezüglich der Wechselwirkungen zwischen Ölskimmer und Welle sowie deren Einfluss auf den Wirkungsgrad. Als Schlussfolgerung der Analyse werden Kriterien für die Gestaltung eines effektiven Ölskimmers für den Einsatz in Glattwasser und bei Seegang festgelegt.
This Ph.D. thesis presents the optimization of the (mostly) sea state independent oil skimming system SOS by means of numerical and experimental analyses. Here the SOS performance of counteracting oil disasters at open sea is closely examined. As a result of the evaluation of the functional principle of the system, it is found that the SOS shows a higher efficiency compared to existing oil recovery systems - especially in high seas. The SOS does not feature any moving parts. The system consists of a moon pool (oil dike) and a pontoon (bow segment), which glides on the heavily moving, oil polluted water surface, damping the waves. As a result of this arrangement, the oil layer to flows underneath the pontoon towards a transverse blade, which separates the oil from the water and protects the moon pool from wave effects. At the trailing edge of the bow segment a vortex develops, accelerating the oil particles in addition to their positive buoyancy towards the water surface of the moon pool. The wave-induced motions of the system cause sloshing effects of the fluid within the oil dike. These sloshing motions convey the oil particles over an adjustable slope into an oil sump from where they can be pumped off in a concentrated form. The first investigations suggested the necessity for experiments with multiple geometries in calm waters as well as at various sea states in order to optimize the system. To minimize the required time and costs for these tests, CFD methods (computational fluid dynamics) are applied to analyze the complex flow phenomena around the skimmer and inside the Moonpool. These numerical analyses show that the resistance at the inlet slit has to be as small as possible to guarantee a continuous flow. Furthermore, it is proved that, despite of sloshing motions, the vortices in the Moonpool can be stabilized by the integration of a so called CUSP design. Based on the conclusions from numerical simulations, the SOS is built at model scales of 1:15 and 1:9 and is integrated into an oil recovery ship. Towing tests are conducted in order to analyze and optimize the dynamic behavior of the whole system (carrier vessel + SOS) in various sea states. The results of the experimental investigation show that a fixed skimming unit is to be preferred to a pin-jointed variant. Subsequently, the fixed integrated SOS is investigated with respect to the efficiency at different speeds in irregular waves with different types of oil. The ship's motions cause sloshing effects, which can be observed during the experiments. By the integration of circular arc shaped slopes, the fluid motions can be damped and utilized for the transport of the oil into the oil sump, without using any moving parts. The magnitude of the damping can be adapted to the current sea state by adjusting the height of the slope. During these tests, the optimized skimming system yields an efficiency up to 95% in calm waters and up to 70% in the chosen sea states. In this thesis the functional principle of the SOS is demonstrated. The results obtained from the analyses expand the level of knowledge regarding the interaction between the skimming system and waves and their influence on the system's efficiency. In conclusion, criteria for the design of an efficient oil skimming system capable to operate in calm waters as well as at harsh seas are given.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14752
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1813
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1516
Exam Date: 19-Dec-2006
Issue Date: 16-Jan-2007
Date Available: 16-Jan-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): CFD-Analyse
Ölskimmer
Ölunfallbekämpfung
SOS
VOF-Methode
CFD-Analysis
Oil recovery vessel
Oil skimming
SOS
VOF-Method
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