Study on Numerical PMM Tests for Prediction of Ship Manoeuvring Coefficients in Waves

Abstract

In recent years, the international long-term actions to cut greenhouse gas (GHG) emissions and carbon intensity from shipping have been proposed to address climate change. To improve the ship operational efficiency with lower fuel consumption and reduced CO2 emissions, the International Maritime Organization (IMO) adopted the Energy Efficiency Design Index (EEDI) as the mandatory energy efficiency regulation for new ships. The regulations have set out the objectives that aim to reduce at least 50% of the total annual GHG emissions from international shipping by 2050 compared to 2008.

However, the EEDI reduction requirement and possible lower propulsion installment have risen a major concern that the underpowered ship could lose its manoeuvrability and safety when the ocean environment becomes harsh. Accordingly, the Marine Environment Protection Committee (MEPC) announced the guidelines for determining minimum propulsion power to maintain the manoeuvrability of ships in adverse conditions (MEPC, 2017). It emphasized the minimum power line that considers the ship manoeuvring motion in adverse weather. Therefore, the prediction of ship manoeuvrability in waves is a technical need for both ship operation and ship safety.

To evaluate ship manoeuvrability in waves, one of the major approaches has been the coupled seakeeping-manoeuvring analysis, and many efforts have been proposed in the past decades for a deliberate prediction of the wave drift forces. However, the main limitation of such coupling analysis is that the simplified manoeuvring model and corresponding manoeuvring coefficients are obtained based on the calm-sea condition. The wave effect on those models and coefficients was neglected. Thus, it is necessary to revisit the mathematical models or manoeuvring coefficients under wave effects.

This study aims to observe the wave effects on the manoeuvring coefficients by conducting a series of planar motion mechanism (PMM) tests under waves. The test model is the KCS containership model. Firstly, a moving numerical tank is built based on the CFD method, and the dynamic wave field is generated and maintained via the volume of fluid (VOF) based wave forcing function. The coupling motion between the prescribed PMM movement and the wave-induced motion responses are achieved by a quaternion-based 6-DOF motion algorithm, and a stabilized k-ω SST turbulence model is considered for the strong turbulent flows that occur during ship PMM motion.

Secondly, the numerical uncertainties and validation have been examined for the calm-sea PMM test and the seakeeping test of the KCS model. For the calm-sea PMM cases, multiple PMM tests including static drift test, pure sway test, pure yaw test, and combined drift-yaw test have been validated with the experimental measurement. For the ship seakeeping test, the wave-induced motion responses and added resistance are examined with respect to different wave frequencies or wave directions.

Thirdly, the incident wave conditions are introduced for the traditional PMM tests. The coupling between the low-frequency PMM motion and the high-frequency wave-induced motions has caused the issues, such as the dynamic ship orientation in waves, and the possible memory effect of the dynamic PMM tests. These issues were discussed. Various wave conditions were considered for the PMM tests, and the manoeuvring coefficients were observed under the effects of wave frequency, wave slope, and wave direction.

파랑 중 선박의 조종성을 평가하기 위하여 지난 수십 년 동안 많은 방법들이 제안되었습니다. 대표적인 접근 방법 중 하나는 선박의 내항-조종 연성을 통한 해석 기법입니다. 그러나 이러한 내항-조종 연성 해석의 주요 한계는 정수 중 바다 조건을 기반으로 단순화된 조종 모델을 사용하였으며, 이를 바탕으로 조종 계수들을 얻었다는 점입니다. 또한 이런 조종 모델과 조종 계수들은 파랑에 의한 효과가 무시되어 있습니다. 따라서 파랑 중에서의 수학적 모델이나 조종 계수들을 재검토할 필요가 있습니다.

이 연구는 파랑 중에서 일련의 PMM 테스트를 수행하여 조종 계수에 대한 파랑의 효과를 관찰하는 것을 목표로 합니다. 테스트 모델로는 KCS 컨테이너선을 사용하였습니다. 첫째, CFD 방식을 기반으로 수치 수조를 구축하였으며, VOF (Volume of Fluid) 기법 및 wave forcing 방식을 적용하여 파랑을 생성 및 유지합니다. PMM 운동과 파도에 의한 운동 응답이 연성된 선박 운동은 쿼터니언(quaternion) 기반의 6 자유도 운동알고리즘에 의해 계산됩니다. PMM 운동 중 발생하는 강한 난류 흐름을 계산하기 위해 안정화된 k-ω SST 난류 모델을 적용하였습니다.

둘째, KCS 모델의 정수 중 PMM 시험과 내항 시험에 대한 수치적 불확도 및 검증 (validation)을 확인하였습니다. 정수 중 PMM의 경우 정적 사항 시험 (static drift test), 순수 좌우동요 시험 (pure sway test), 순수 선수동요 시험 (pure yaw test) 및 선수동요 사항각 시험 (combined drift-yaw test)을 포함한 여러 PMM 테스트를 실험 결과를 통해 검증하였습니다. 선박 내항 시험의 경우, 파도에 의한 운동 응답 및 부가 저항을 다양한 파 주파수 또는 파향에 대해 검증하였습니다.

셋째, 기존의 PMM 시험에 추가로 입사파 조건이 도입되었습니다. 저주파 PMM 운동과 상대적 고주파인 파랑에 의한 운동 응답 간의 연성은 파랑 중 선박의 동적 거동 및 동적 PMM 시험에 의한 메모리 효과와 같은 문제들을 야기합니다. 이러한 문제가 논의되었습니다. 파랑 중 PMM 시험을 위해 다양한 파도 조건을 고려하였고, 파 주파수, 파 기울기, 파향에 따른 조종계수의 변화를 관찰하였습니다.