Negentig procent van de wereldhandel gaat over zee en meer dan $ 4 biljoen aan vracht wordt jaarlijks vervoerd op grote containerschepen. Nu de commerciële scheepvaart onze economie blijft versterken, scheepsarchitecten worden geconfronteerd met een natuurlijk voorkomend fenomeen in containerschepen dat eerder werd gezien in kleine vissersvaartuigen:rollende beweging met grote amplitude.

Rollende beweging met grote amplitude maakt grote containerschepen extreem onstabiel en kwetsbaar voor ongevallen met bemanning en lading, machinestoring, structurele schade en mogelijk kapseizen.

Rolling met grote amplitude als gevolg van parametrische excitatie treedt op wanneer de lengte van de golf vergelijkbaar is met de lengte van het schip, wat leidt tot bijzonder uitgesproken variaties in de stabiliteit van het schip terwijl het door ruwe zee vaart. Het schip wordt afwisselend heen en weer geduwd, en - in slechts een paar cycli, Er ontstaan ​​verhoogde golven met een rolhoek van meer dan 35 graden, waardoor het gevaarlijk is voor de bemanning en de lading.

"De beweging van een schip of offshore-constructie in golven is altijd een fascinerend probleem geweest voor de marine-architect, " zei Dr. Jeffrey Falzarano, professor in de nieuwe afdeling Ocean Engineering aan de Texas A&M University.

Falzarano, een marine-architect van opleiding bestudeert het fenomeen van het rollen en kapseizen van vissersvaartuigen sinds zijn dagen als afgestudeerde student.

"Parametrische rolbeweging met grote amplitude van containerschepen op volle zee waarbij de golven direct tegen de koers van een schip in lopen, echter, is een relatief nieuw probleem, " zei hij. "Het heeft ernstige zorgen geuit over de stabiliteit van het schip."

Falzarano, samen met voormalig student Dr. Amitava Guha en afgestudeerde studenten Dr. Abhilash Somayajula en Yujie Liu, heeft de Marine Dynamics Laboratory (MDL) Suite ontwikkeld, een reeks softwareprogramma's die de waarschijnlijkheid van rollende beweging met grote amplitude voorspellen. Het verminderen van de kans op een ongeval veroorzaakt door het rollen wordt beschouwd als een effectievere aanpak dan het beperken van de gevolgen. Ondersteund door het Environmental Ship Motion Forecasting-programma van het Office of Naval Research, de groep helpt bij het ontwikkelen van de volgende generatie voorspellingstools voor rolbewegingen voor scheepsarchitecten.

"Veel van de stabiliteitscriteria voor scheepsontwerp houden momenteel geen rekening met de dynamische bewegingen van het schip, "zei Somayajula. "De oudere criteria gaan ervan uit dat de wateren kalm zijn en daarom hebben we een nieuwe reeks stabiliteitsregels van de volgende generatie nodig, gebaseerd op de dynamische respons van het schip in realistische golven."

Volgens de onderzoekers is nieuw en verbeterd ontwerp en gebruik van containerschepen kan de kans op het optreden van rollende bewegingen met grote amplitude effectief verminderen.

Falzarano en Guha ontwikkelden MDL HydroD, een frequentiedomeintool die interacties van golven en structuren analyseert. Het softwareprogramma is een driedimensionale paneelcode die eerste en tweede orde golfbelastingen en bewegingsrespons berekent bij nul- en voorwaartse snelheid in diep en ondiep water.

Falzarano en Somayajula breidden Guha's werk uit om SIMDYN te ontwikkelen, een tijddomeintool die gebruikmaakt van de frequentiedomeinresultaten van MDL HydroD. Het softwareprogramma analyseert nauwkeurige modellen van de beweging van het schip in willekeurige golven. SIMDYN beschouwt concepten als niet-lineaire hydrostatica, niet-lineaire Froude Krylov-krachten en berekende slingerdemping om de niet-lineaire en willekeurige scheepsbewegingen te simuleren. Somayajula past deze tool momenteel toe om parametrische rolbewegingen van schepen in onregelmatige zeeën te analyseren en het probleem van optimalisatie van scheepsontwerp op te lossen voor veiliger, stabielere en efficiëntere schepen.

Het onderzoek van Falzarano en Liu breidt Guha's MDL HydroD-programma uit om meerdere schepen te overwegen. Het is ontworpen om de hydrodynamische reacties van meerdere drijvers nauwkeurig te evalueren, rekening houdend met eerste en tweede orde golfbelastingen tussen meerdere schepen, zij aan zij lossen en analyse van golfhoogte tussen de schepen.

"Er is een enorme hoeveelheid interactie tussen meerdere schepen van verschillende groottes vanwege de kloof ertussen, "zei Falzarano. "Dit is niet goed voorspeld in de modellen en we moeten experimentele gegevens analyseren om de voorspelling te verbeteren."

Onderzoekers zeggen, dit Potentiële Flow-softwareprogramma komt tegemoet aan de behoefte aan een betrouwbaar hulpmiddel dat praktische en kosteneffectieve oplossingen zoekt in toepassingen van offshore-technologie. Er is een groeiende belangstelling om te begrijpen hoe ze met elkaar zullen omgaan en op zoek naar een betrouwbaar en economisch efficiënt plan.

Om de rollende beweging nauwkeurig te voorspellen, Falzarano en zijn team analyseerden de modeltestgegevens van experimenten uitgevoerd op R/V Melville, een oceanografisch onderzoeksschip voor algemeen gebruik dat wordt geëxploiteerd door de Scripps Institution of Oceanography van de University of California San Diego.

De onderzoekers breiden momenteel de MDL Suite van softwareprogramma's uit om de constante golfweerstand in een schip te bestuderen. De potentiaalstroommethode staat bekend om zijn efficiëntie en kan worden gebruikt als een eerste screening om veelbelovende kandidaten te identificeren. Deze kandidaten kunnen vervolgens verder worden geanalyseerd met behulp van meer geavanceerde technieken zoals computationele vloeistofdynamica of modeltesten. Dit maakt het sequentieel gebruik van deze benaderingen mogelijk om tegelijkertijd de rompvormen te optimaliseren voor bewegingen en golfweerstand.

Hun volgende stap omvat het gebruik van de MDL Suite om andere belangrijke problemen te bestuderen, zoals offshore drijvende windturbines en niet-lineaire golfbelasting.