Numerical Analysis of Parametric Roll Resonance of a Containership Sailing in Nonlinear, Longitudinal Seas

Ντούσια, Γεωργία; Ntousia, Georgia

dc.contributor.author	Ντούσια, Γεωργία	el
dc.contributor.author	Ntousia, Georgia	en
dc.date.accessioned	2015-04-27T08:57:03Z
dc.date.available	2015-04-27T08:57:03Z
dc.date.issued	2015-04-27
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40608
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.11418
dc.rights	Default License
dc.subject	Parametric roll	en
dc.subject	Pαραμετρικός διατοιχισμός	el
dc.subject	Nonlinear seas	en
dc.subject	Containership	en
dc.subject	Κυματισμοί ανωτέρας τάξης	el
dc.title	Numerical Analysis of Parametric Roll Resonance of a Containership Sailing in Nonlinear, Longitudinal Seas	en
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Αριθμητική Μελέτη της Παραμετρικής Αστάθειας σε Διατοιχισμό ενός πλοίου τύπου Containership, σε Διαμήκεις Κυματισμούς Ανωτέρας Τάξης	el
heal.classification	Ευστάθεια πλοίου σε διατοιχισμό	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-03-31
heal.abstract	Parametric roll or “autoparametrically excited roll” is one of the major stability issues on large containerships. It is the phenomenon of substantial roll amplitude development, when the vessel is sailing in following or head seas. Even though hazard for capsizing exists mainly to smaller ships, such as fishing vessels, the economic consequences of cargo loss and damage of large containerships are extremely harmful to ship owners and the market in general. As a parametric resonance phenomenon, parametric roll is characterized by a periodical alteration of one of its characteristics, in our case the restoring. As containerships have tended in the last twenty years to become larger, the need for maintaining low fuel consumption has led to the design of thinner hulls, with bow and stern flare sections. However, new containerships are optimized for a lower speed and their beam has become larger. In general, containerships are characterized by wide waterplane when the wave though is amidships, and respectively narrower when the ship is located in the wave crest. Since the waterplane area is directly connected to the transverse stability of the ship, a phenomenon of stability gain when the ship is in the wave trough and stability loss when it is positioned in the wave crest occurs. The purpose of the present thesis is the construction of stability charts for parametric roll resonance of a containership sailing in longitudinal (head or following), regular and irregular seas. The investigation is focused on three layers: the nonlinearity of the waves, the influence of ship’s forward speed and the effect of the loading condition. A single-degree of freedom in roll with linear damping, characterized by an exact variation of the restoring has been used for the calculations. The stability charts are similar to Mathieu’s Ince-Strutt diagrams. Therefore, the horizontal axis is a function of the ship’s forward speed and the vertical axis is related to the wave steepness. At first, numerical calculations were performed, which can provide the local value of metacentric height while the ship passes through each position on the wave. After the calculations of the variation of the metacentric height have been completed, numerical simulation is performed, by solving the differential equation of roll motion, for several values of ship’s forward speed and wave steepness. Finally, stability charts are produced, where the instability regions correspond to the roll amplitudes exceeding a given threshold value, within a given number of wave cycles. In particular, stability charts for four different loading conditions are created. The selected conditions correspond to the design as well as the scantling draft. In addition, the values of the initial metacentric height cover the whole range of all loading cases. For the three out of four conditions, comparison of ship tendency for parametric rolling inharmonic and in nonlinear waves is realized. Furthermore, charts with the instability regions separated into regions of ship’s forward speed are constructed, for all loading cases and for both regular and irregular seas. These charts can provide valuable information on the proper speed regions for the prevention of parametric roll resonance, according to the selected loading case and whether regular or irregular seas are considered .Given the fact that nowadays containership are designed with a Slow Steaming service speed, these charts can indicate in which cases Slow Steaming speeds should be preferred to higher speeds, and in converse. Consequently, these charts can be also used as a guide for speed on board, apart from tools of early detection of parametric roll resonance.	en
heal.abstract	Ο παραμετρικός διατοιχισμός αποτελεί ένα από τα κυρίαρχα προβλήματα ευστάθειας που αφορούν στα μεγάλα containerships. Αποτελεί το φαινόμενο της προοδευτικής ανάπτυξης μεγάλων εγκάρσιων κλίσεων, καθώς το πλοίο ταξιδεύει σε ακολουθούντες (πρυμναίους) κυματισμούς. Παρόλο που ο κίνδυνος για ανατροπή υφίσταται κυρίως σε μικρότερα πλοία, όπως τ’ αλιευτικά, πιθανή απώλεια ή/και καταστροφή φορτίου στα μεγάλα containerships θα έχει ισχυρές οικονομικές συνέπειες τόσο στην πλοιοκτήτρια εταιρία όσο και στην αγορά της ναυτιλίας γενικότερα. Ως ένα φαινόμενο παραμετρικής αστάθειας, ο παραμετρικός διατοιχισμός χαρακτηρίζεται από την περιοδική μεταβολή ενός βασικού χαρακτηριστικού του: της ικανότητας επαναφοράς του. Με την πάροδο του χρόνου, τα containerships γίνονται όλο και μεγαλύτερα σε μέγεθος. Προκειμένου να μην αυξηθεί η κατανάλωση του καυσίμου, σχεδιάζονται λεπτότερες γάστρες, με νομείς στην πλώρη και στην πρύμνη που εμφανίζουν απότομη κλίση (flare). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η ίσαλος επιφάνεια να γίνεται στενότερη όταν το μέσο του πλοίου βρίσκεται στην κορυφή του κύματος, και πιο πλατιά όταν βρίσκεται στην κοιλάδα. Η επιφάνεια της ισάλου, όμως, συμβάλλει καθοριστικά στην εγκάρσια ευστάθεια του πλοίου. Συνεπώς, παρατηρείται το φαινόμενο της αύξησης της ευστάθειας όταν η κοιλάδα του κύματος διέρχεται από το μέσο νομέα του πλοίου, και της μείωσης της ευστάθειας όταν το πλοίο διέρχεται από την κορυφή του κύματος. Ο στόχος της παρούσης εργασίας είναι η κατασκευή διαγραμμάτων ευστάθειας για τον παραμετρικό διατοιχισμό ενός πλοίου μεταφοράς εμπορευματοκιβωτίων, που ταξιδεύει σε διαμήκεις (ακολουθούντες ή πρυμναίους), μη γραμμικούς κυματισμούς. Η μελέτη της παραμετρικής αστάθειας επικεντρώνεται σε τρία σημεία: στη μη γραμμικότητα των κυματισμών, στην επίδραση της πρόσω ταχύτητας του πλοίου και τέλος, στο ρόλο που διαδραματίζει η εκάστοτε κατάσταση φόρτωσης. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για τους υπολογισμούς είναι γραμμικό, ενός βαθμού ελευθερίας και με γραμμική απόσβεση. Το κύριο χαρακτηριστικό του είναι ότι περιέχει την ακριβή μεταβολή του όρου της επαναφοράς. Τα διαγράμματα ευστάθειας είναι παρόμοια με εκείνα του Mathieu. Ο οριζόντιος άξονας είναι συναρτήσει της ταχύτητας του πλοίου, ενώ ο κατακόρυφος είναι ανάλογος του ύψους του κύματος. Αρχικά, δημιουργήθηκε ένας αριθμητικός κώδικας ο οποίος υπολογίζει την ακριβή τιμή του εγκάρσιου μετακεντρικού ύψους καθώς το πλοίο διατρέχει κάθε θέση πάνω στο κύμα. Μετά το πέρας των υπολογισμών που αφορούν στη μεταβολή του μετακεντρικού ύψους κατά μήκος του κύματος, γίνεται χρήση ενός επιπλέον αριθμητικού κώδικα, που κατασκευάστηκε επίσης στα πλαίσια της παρούσης εργασίας, προκειμένου να επιλυθεί αριθμητικά η γραμμική εξίσωση διατοιχισμού, για τις διάφορες ταχύτητες του πλοίου και για τα διάφορα ύψη κύματος. Τελικά, κατασκευάζονται τα διαγράμματα ευστάθειας, όπου με τον όρο αστάθεια εννοούμε την περιοχή όπου υπερβαίνεται μία δεδομένη οριακή τιμή εγκάρσιας κλίσης, για ένα δεδομένο αριθμό κύκλων κυμάτων. Τελικά, κατασκευάζονται διαγράμματα ευστάθειας για τέσσερις διαφορετικές καταστάσεις φόρτωσης του υπό μελέτη πλοίου. Οι καταστάσεις έχουν επιλεγεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να αντιστοιχούν κάποιες στο βύθισμα σχεδίασης και κάποιες στο «scantling draft». Επίσης, τα αρχικά μετακεντρικά ύψη καλύπτουν όλο το εύρος των καταστάσεων φόρτωσης. Για τις τρεις από τις τέσσερις καταστάσεις, πραγματοποιείται σύγκριση ανάμεσα στους γραμμικούς και στους μη γραμμικούς κυματισμούς. Επιπλέον, δημιουργούνται διαγράμματα ευστάθειας που περιλαμβάνουν και τις διάφορες περιοχές των ταχυτήτων του πλοίου. Τα διαγράμματα αυτά παρέχουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με το ποία περιοχή ταχυτήτων δρα θετικά στην αποφυγή της παραμετρικής αστάθειας, ανάλογα με το αν οι κυματισμοί είναι γραμμικοί ή όχι. Είναι γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια επικρατεί η τάση σχεδιασμού πλοίων containershipγια χαμηλότερες ταχύτητες («slow steaming»). Συνεπώς, τα διαγράμματα ευστάθειας με περιοχές ταχυτήτων μπορούν να αποτελέσουν μία ένδειξη ως προς το ποιο εύρος ταχυτήτων θα πρέπει να προτιμάται, ανάλογα με την κατάσταση φόρτωσης του πλοίου και το είδος των κυματισμών. Κατά συνέπεια, εκτός από εργαλεία πρόβλεψης της εμφάνισης της παραμετρικής αστάθειας, τα διαγράμματα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οδηγία για την επιλογή της κατάλληλης ταχύτητας εν πλω.	el
heal.advisorName	Σπύρου, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Σπύρου, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Παπανικολάου, Απόστολος	el
heal.committeeMemberName	Ζαραφωνίτης, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μελέτης Πλοίου και Θαλάσσιων Μεταφορών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	79 σ.
heal.fullTextAvailability	true