Υπολογισμοί δυναμικής συμπεριφοράς πλοίων σε κυματισμούς με μη-γραμμικό κώδικα

Abstract

Στην παρούσα μελέτη συγκρίναμε τρεις υπολογιστικούς τρόπους επίλυσης του προβλήματος της συμπεριφοράς ενός πλοίου σε κυματισμούς. Ο πρώτος τρόπος που εκφράζεται μέσα από την έκδοση SWAN2 του κώδικα SWAN και την πλήρως γραμμική εκδοχή του, λύνει το γραμμικό πρόβλημα. Ο δεύτερος τρόπος είναι μία επέκταση του πρώτου τρόπου και αποτελεί μία ψευδό μη-γραμμική προσέγγιση λύνοντας στην στιγμιαία βρεχόμενη επιφάνεια του πλοίου κάθε χρονική στιγμή. Ο τρίτος τρόπος αποτελεί μία έντονα μη γραμμική προσέγγιση του προβλήματος, λύνοντας πλήρως σε κάθε χρονική στιγμή και εκφράζεται μέσα από την έκδοση SWAN4. Σύμφωνα με τα παραπάνω, αναμένουμε ο αυξημένος βαθμός πολυπλοκότητας του μη γραμμικού τρίτου τρόπου να οδηγήσει σε αποτελέσματα πιο κοντά στα πειραματικά με τους υπόλοιπους τρόπους επίλυσης του προβλήματος να υστερούν. Η απόδοση του κώδικα αξιολογήθηκε με βάση τρία πλοία με αυξανόμενο βαθμό πολυπλοκότητας γάστρας. Σε ορισμένες περιπτώσεις ήταν αναγκαίο να γίνουν μικρής έκτασης επεμβάσεις στη γεωμετρία της γάστρας προκειμένου να γίνει πιο σωστή μοντελοποίηση της γεωμετρίας. Από τη μελέτη προέκυψε ότι η μη γραμμική έκδοση του κώδικα δεν παράγει σε όλες τις περιπτώσεις λογικά αποτελέσματα και ειδικά σε πολύ μικρά μήκη κύματος μέχρι λίγο μεγαλύτερα από το πλοίο. Υπάρχουν περιπτώσεις όμως που τα αποτελέσματα είναι πολύ κοντά στα πειραματικά. Η γραμμική εκδοχή του κώδικα είναι πιο αξιόπιστή αφού δεν εμφάνισε καμία αστάθεια στους υπολογισμούς αν και δεν υπήρξε σε όλες τις περιπτώσεις επιτυχής στη πρόβλεψη της συμπεριφοράς ενός πλοίου σε κυματισμούς. Η ψευδό μη-γραμμική επέκταση της γραμμικής μεθόδου παρήγαγε ελαφρώς καλύτερα αποτελέσματα από την πλήρως γραμμική. Γενικά αποτελεί μία καλή βάση για την έναρξη μίας διαδικασίας βελτιστοποίησης μίας πατρικής γάστρας. Η απόδοση του γραμμικού κώδικα αξιολογήθηκε επίσης και με τη χρήση μίας ταχύπλοης γάστρας που φέρει καθρέπτη με μεγάλο βύθισμα. Εδώ δεν ήταν δυνατή η χρήση του μη γραμμικού κώδικα καθώς δεν υποστηρίζει τέτοιες γεωμετρίες. Τα αποτελέσματα είναι σχετικά καλά και ειδικά για την ψευδό μη-γραμμική εκδοχή, πρέπει να δοθεί προσοχή όμως όταν πραγματοποιούμε εξομοιώσεις σε μεγαλύτερο αριθμό Froude γιατί τα αποτελέσματα χάνουν τη συνάφειά τους. Τέλος έγινε μία σύγκριση των φορτίσεων που υπολογίζει η κάθε έκδοση του κώδικα σε ένα πλοίο αναφοράς.

In the present study three computational approaches of the seakeeping problem are compared. The first approach is expressed through the version SWAN2 of the code SWAN and its full linear edition which solves the lineal seakeeping problem. The second approach is an extension of the first approach which comprises the quasi nonlinear method solving at the instantaneous wetted surface in every simulation time step. The third approach comprises a strong non linear study, solving the full non linear problem at every simulation time step, expressed through the version SWAN4. In accordance to the above, we expect the increased complexity of the non linear approach to produce results closer to the experimental measurements than the other approaches which are expected to fail short. The accuracy of the code was evaluated using three ship models with an expanding degree of geometric complexity. In some cases the need arose for some minor changes in the ship hull model in order to make the geometric modeling more efficient. The result of the study pinpointed that the non linear version of the code does not produce in all cases reasonable results, especially in short wave lengths to wave lengths close to the length of the ship. However there are some cases in which the non linear version produced results very close to the experimental. The linear version of the code provides a more robust tool as all the results were in line with what was expected from the experience. Nevertheless not in every case the solution was close to what was measured in the experiments. The quasi non-linear extension produced slightly better results from the fully linear method. In general, the linear/quasi non-linear version of the code provides a sound base for an optimization process on a parent hull. The accuracy of the linear version was also evaluated using a high speed monohull ship model which bears a transom stern. The use of the non linear code was not an option because the current version does not support such geometries. The results were relatively good, especially those of the quasi non-linear method. Caution must be exercised when conducting simulations in high Froude numbers as the results may not be so accurate. Finally a comparative study was conducted for the forcing each version computes on a reference hull.