Numerische Prognose der Manövrierbarkeit von Schiffen in Wellen

This thesis presents a method to predict rudder manoeuvres of ships in waves, which is purely based on numerical simulations. For this purpose, a mathematical model of Abkowitz type has been expanded to take the forces and moments due to waves into account. Under the assumption that oscillating wave forces and moments of first order do not influence the trajectory of the manoeuvring ship, only mean wave forces and moments are considered here. The coefficients of this extended mathematical model are determined by Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations of virtual captive model tests in calm water and waves. In order to get an estimation of the required mean power during the manoeuvre, the propeller torque is modelled as well. This method has been applied to the S175 container ship and the results were compared to experimental measurements performed by Yasukawa and Nakayama. The RANS simulations are performed with the in-house finite volume code Neptuno, which uses the SIMPLE method for pressure-velocity coupling, the standard k-omega turbulence model and a two-phase level set method. The effect of the propeller on the flow was captured using a body force model, which is based on RANS simulations performed in advance. The effect of non-hydrodynamic mean inertial forces was investigated during the evaluation of the numerical captive model tests for the determination of the mean wave forces and moments. It was shown that it is crucial to consider these non-hydrodynamic forces when comparing results from numerical simulations and experimental measurements. Further, the influence of forward speed, drift angle, wave amplitude and moment of inertia about the transverse axis on the mean forces and moments was numerically investigated. To validate the method, turning circle tests in calm water and waves have been simulated and compared to the experimental measurements. In general a good agreement was achieved for trajectories and mean added power. Three different starting conditions were compared for one manoeuvre, namely starting all manoeuvres with the same propeller revolution rate as in calm water, the same forward speed as in calm water or the same power as in calm water. It was shown, that for the development of rules regarding the minimum required power for manoeuvring in waves the starting condition plays an important role and the times t90 and t180 might be a more valuable indicator for manoeuvrability than the advance or tactical diameter.Diese Dissertation präsentiert eine rein numerische Methode zur Vorhersage von Rudermanövern von Schiffen in Wellen. Hierfür wurde ein Abkowitz-Modell um die Berücksichtigung der von den Wellen induzierten Kräfte und Momente erweitert. Unter der Annahme, dass die oszillierenden Wellenkräfte und -momente erster Ordnung keinen Einfluss auf die Trajetorie des manövrierenden Schiffes haben, wurden nur die mittleren Wellenkräfte und -momente im Modell berücksichtigt. Die Koeffizienten dieses erweiterten mathematischen Modells wurden mit Hilfe von Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) Simulationen von virtuellen gefesselten Modellversuchen in Glattwasser und Wellen bestimmt. Zur Prognose der erforderlichen mittleren Zusatzleistung während des Manövers wurde das Propellerdrehmoment ebenfalls modelliert. Das Verfahren wurde am Beispiel des S175 Containerschiffes angewandt und die Ergebnisse mit Messungen von Yasukawa und Nakayama verglichen. Die RANS-Simulationen wurden mit dem Finite-Volumen-Code Neptuno durchgeführt, welcher das SIMPLE-Verfahren für die Druck-Geschwindigkeitskopplung, das Standard k-omega Turbulenzmodell und eine zweiphasige Level-Set-Methode verwendet. Der Einfluss des Propellers auf die Strömung wurde mit einem Bodyforcemodell approximiert, welches auf im Vorfeld durchgeführten RANS-Simulationen basiert. Bei der Auswertung der numerischen gefesselten Modellversuche zur Bestimmung der mittleren Wellenkräfte und -momente wurde der Effekt der nicht hydrodynamischen mittleren Trägheitskräfte untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass für einen Vergleich von numerischen Simulationen und Messungen die Berücksichtigung dieser Trägheitskräfte essentiell ist. Darüber hinaus wurden der Einfluss der Vorausgeschwindigkeit, des Driftwinkels, der Wellenamplitude und des Trägheitsmomentes entlang der Querachse auf die mittleren Wellenkräfte und -momente numerisch untersucht. Zur Validierung der Methode wurden Drehkreisversuche in Glattwasser und Wellen simuliert und mit Messungen verglichen. In den meisten Fällen wurde eine gute Übereinstimmung der Trajektorie des Schiffes und der mittleren Zusatzleistung erzielt. Darüber hinaus wurden Manöver mit drei unterschiedlichen Startbedingungen - gleiche Drehzahl, Geschwindigkeit oder Leistung wie im Glattwasser - durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Startbedingung für die Entwicklung von Regeln bezüglich der erforderlichen Mindestleistung zum Manövrieren in Wellen eine sehr große Rolle spielt und die Zeiten t90 und t180 ein besseres Maß zur Beurteilung der Manövrierfähigkeit darstellen könnten als beispielsweise der Vorausweg oder taktische Durchmesser