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Prediction of Wave-Structure Interaction by Advanced Wave Field Forecast
Kosleck, Sascha
Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeit der Vorhersage von natürlichen Seegängen sowie die Vorhersage des Bewegungsverhaltens von Schiffen oder Strukturen auf der Basis von Momentaufnahmen der bewegten, freien Wasseroberfläche. Ziel ist die Entwicklung eines deterministischen, vollständig auf linearer Theorie basierenden Verfahrens, mit dem auf offener See die Entwicklung eines Wellenfeldes in Echtzeit vorhergesagt werden kann. Die Kenntnis über die präzise Entwicklung der freien Wasseroberfläche wird genutzt, um gezielt Zeitreihen für Begegnungsseegänge an definierten Koordinaten im Raum vorauszuberechnen. Diese Koordinaten kennzeichnen Orte von speziellem Interesse, wie z.B. die Position einer fest verankerten Struktur oder eines fahrenden Schiffs. Ist die Bewegungscharakteristik eines Schiffs/einer Struktur, in Form von Übertragungsfunktionen für die 6 Freiheitsgrade, bekannt, so kann durch eine Frequenzbereichsanalyse des zu erwartenden Begegnungsseegangs das Bewegungsverhalten vorhergesagt werden. Die Vorhersage von Seegang und Bewegungsverhalten soll zukünftig, in Form eines Entscheidungshilfeprogramms, die Möglichkeit bieten, Gefahrenpotentiale zu erkennen, um Schiffs- und Offshoreoperationen sicherer und effizienter zu gestalten. Für die Untersuchung der Vorhersagemöglichkeit werden in einem ersten Schritt unidirektionale Seegänge (Seegänge mit nur einer Wellenausbreitungsrichtung) mit verschiedener Charakteristik im Wellenkanal simuliert. Die simultane Registrierung des Seegangs an 451 verschiedenen Positionen ermöglicht sowohl das synthetische Generieren von Momentaufnahmen der freien Wasseroberfläche, als auch den Vergleich von Vorhersagen und Messungen an fast beliebig vielen verschiedenen Positionen. Die Arbeit zeigt, dass sich durch die Analyse im Frequenzbereich und die Beschreibung der natürlichen Seegänge mittels des gewählten linearen Ansatzes, Verfahren entwickeln lassen, mit denen die aufgemessenen Seegänge, innerhalb eines klar definierten Gültigkeitsbereichs in Raum und Zeit, schnell und zuverlässig vorhergesagt werden können. Durch die Vorhersage eines zu erwartenden Begegnungsseegangs am Ort einer Struktur/eines Schiffs lässt sich in weiterer Abfolge ebenfalls das Bewegungsverhalten vorhersagen, Voraussetzung ist die vorab erfolgte Untersuchung der frequenzabhängigen Bewegungscharakteristik (Übertragungsfunktionen) des zu untersuchenden Systems. Für die Betrachtung fahrender Schiffe ist insbesondere zu berücksichtigen, dass sich die Bewegungscharakteristik mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit deutlich ändert. Um die innerhalb dieser Arbeit entwickelten Bewegungsvorhersagemethoden zu validieren, werden zusätzliche Versuche im Wellenkanal durchgeführt. Dabei wird entweder das fest verankerte oder fahrende Schiff den bereits untersuchten Seegängen ausgesetzt und das Bewegungsverhalten aufgemessen. Als Basis für die Vorhersage des Bewegungsverhaltens dienen wiederum Momentaufnahmen der freien Wasseroberfläche. Somit lässt sich sowohl die Vorhersage des Begegnungswellenzuges, durch Messungen am Ort des fest verankerten/fahrenden Schiffs, als auch das vorausberechnete Bewegungsverhalten des Schiffs validieren. Die Arbeit zeigt deutlich, dass die angewendeten linearen Methoden das Bewegungsverhalten der Struktur/des Schiffs, innerhalb der Zeiträume in denen die Seegangsvorhersage verlässliche Ergebnisse liefert, ausgezeichnet abbilden. Die für unidirektionale Seegänge entwickelten Methoden wurden im weiteren Verlauf der Arbeit für die Vorhersage multidirektionaler, kurzkämmiger Seegänge mit beliebig vielen Wellenausbreitungsrichtungen angepasst. Gleichsam werden auch die Methoden zur Bewegungsvorhersage dementsprechend weiterentwickelt. Die jeweiligen Verfahren werden beispielhaft für in der Realität aufgemessene Seegänge durchgerechnet. Als Eingangsgröße für die Vorhersage eines natürlichen, kurzkämmigen Seegangs dienen mittels eines Seegangsradars (WaMoS II®) ermittelte Momentaufnahmen des Umgebungswellenfeldes im Radarbereich einer fest installierten Offshoreplattform, bzw. eines fahrenden Schiffs.
The presented work focuses on the possibility of forecasting natural sea states as well as wave induced vessel/structure motions based on information gathered from surface elevation snapshots of the surrounding free water surface. Objective target of this thesis is the development of a linear, deterministic approach for the just-in-time prediction of an ocean wave field. The knowledge of the precise evolution of the free water surface is used to forecast encountering wave trains at predefined coordinates in space, identified by special points of interest, such as the position of a moored structure or a cruising vessel. Knowing the motion characteristics (transfer functions) of the structure/vessel, its motions can be predicted by frequency domain analysis. Predicting the sea state as well as the motion behaviour of a structure/vessel prospectively enables the development of a comprehensive decision support system, giving the possibility to identify critical or uncritical situations, respectively, in advance, securing ship and offshore operations. For the investigation of the predictability, unidirectional sea states (with only one direction of wave propagation) with different characteristics are generated in a seakeeping basin. Simultaneous measurements at 451 different positions enable not only the artificial generation of surface elevation snapshots but also the comparison of predictions and measurements at an almost arbitrary number of different positions. It is shown, that frequency domain analyses and the characterization of the sea state using a linear approach, enable the development of procedures for the prediction of natural sea states in time and space, inside a well defined range of validity. By forecasting the wave train to be encountered by a ship or offshore structure, the wave induced motion behaviour can subsequently be derived – given that the frequency domain transfer functions of the system are known. For cruising vessels, the dependency of the transfer functions on the cruising speed of the vessel has be paid special attention to. To validate the procedures developed within this thesis, additional test runs at model scale are conducted, where the vessel is exposed to the sea states already investigated and the motion behaviour of the system is recorded. Data input for the prediction of vessel motions are snapshots of the free water surface. Thus, not only the forecast of the encountering wave train can be compared to measurements taken at the vessel position but also the predicted motion behaviour can be validated. This work clearly shows, that the developed linear methods for the prediction of the motion behaviour of a stationary or cruising vessel/structure deliver excellent results. In the course of this work, the so far unidirectional methods are, in a subsequent step, enhanced for the prediction of multidirectional, short crested seas – with an arbitrary number of directions of wave propagation. At the same time the procedures for the forecast of wave induced motions are adapted, in order to be able to predict the motion behaviour in short crested seas as well. The respective methods are exemplified using full scale measurements. Data input for the forecast of natural, short crested seas and subsequent wave induced vessel motions is delivered by a WaMoS II® wave monitoring system, registering and analysing snapshots of the free water surface within radar range of a platform or cruising vessel.
