Modelling and simulation of diesel ship propulsion and ship towing at sea for the prediction of the total ship resistance

Abstract

Humans have been using different types of boats since their early existence on the planet Earth, and for the propulsion of those boats, they have used different means starting with paddles and sails, passing through steam engines, and finishing today by diesel engines, turbines, electric propulsion and nuclear propulsion. Nowadays, it is very clear that the marine industry has reached a very high level of development, but given the insatiable appetite of the human race for improvement and optimization, only GOD knows what means will be used, in the future, for the propulsion of our ships. However, up to the early 1860s, few facts about ship resistance were known and many of the mainstream conceptions of ship powering at that era were false. Consequently, the process of the propeller design was based on the trial and error method, and the propulsion power installed on ships was, most of the time, wrongly estimated. From that time onwards, it became very clear that a methodology, for the estimation of the propulsive power necessary for reaching a given ship speed, is strongly needed. In 1870, W. Froude launched ship models testing for the prediction of the resistance of full-scale ships, and from that time, naval architects have started gaining profit from the potential of ship models towing tanks. Later in the early 1980s, computational fluid dynamics (CFD) came into force and until today it has remained a very reliable tool used in the ship industry for modelling the flow around the hull, the derivation of the ship resistance, and for the design of the ship propeller. Nevertheless, each one of the previously cited techniques for the prediction of the ship resistance has very serious drawbacks. For example, the cost of the ship models and of the experiments in the towing tank can be exorbitant especially when the study of different designs of the same ship is needed to optimize the final design. For CFD packages, the main problem faced is that their user must have a high level of expertise to be able, to simulate a particular situation with the suitable assumptions, and to interpret the generated results correctly. Within this framework, this doctoral thesis intends to introduce a new research line consisting in the estimation of any given ship total hull resistance through the sole modelling and simulation of a two ships towing system in which the towed ship is the ship with the unknown total hull resistance to be estimated. More precisely, this doctoral research is taking the first tentative steps to initiate this research line. It is a doctoral research, which is aimed at verifying the well-known equality between the towline tension, at the stern of the tow ship, and the total hull resistance of the towed ship through the complete modelling and simulation of a Diesel ship propulsion plant and a ship towing system formed by two ships. By proceeding in this direction, this doctoral research is paving the way for the next big step that can be carried out in other subsequent researches. This could be the use of a two ships towing system simulation model to predict, accurately and quickly, the total hull resistance of any ship only by the execution of a simulation on any computer with a normal performance configuration. The main particularity of this new way of investigating the total hull resistance of a ship is that it lends a mechanical engineering perspective to this problem, which is a problem of hydrodynamics by nature. This means that the problem is tackled, mainly, by the use of the theories of mechanics rather than the theories of fluid mechanics usually used to analyze cases involving ship behavior at sea. Namely, the whole approach proposed in this doctoral thesis is based on the modelling and the simulation of the dynamics of the main elements forming a towing system formed by two large sister container ships. So following this line of thinking, the work involved in this doctoral thesis has been subdivided into many separate tasks. These are, the mathematical modelling of the dynamics of the tow container ship, the mathematical modelling of the marine two-stroke diesel engine equipping the tow container ship, the mathematical modelling of the dynamics of the towed container ship, and the mathematical modelling of the dynamics of the towline connecting these two ships. Subsequently, all mathematical models were implemented in the MATLAB Simulink computational environment. Using the necessary input data characterizing all the elements included in the two ships towing system, this system was simulated and then the towline tension, at the stern of the tow container ship, was evaluated and the total hull resistance of the towed container ship was compared to it. The results that have been generated in the different parts of this thesis have different degrees of accuracy, and this is heavily depending on each component included in the simulated two ships towing system, but generally, these results are acceptable. The role of the input data of the simulation model was decisive and the uncertainty about the real values of a considerable portion of the necessary input data feeding the final simulation model has affected the behavior of the final simulation model and reduced the accuracy of the generated results. Furthermore, the relative simplicity of the final simulation model, developed in this doctoral thesis research, allows qualifying this simulation model as very affordable in terms of the needed computational power and very fast in terms of the necessary execution time. In this first attempt to adopt the approach introduced in this thesis, these two features can compensate for the lack of the accuracy visible in some of the results generated by this simulation model. For the results about the comparison between the towline tension, at the stern of the tow ship, and the total hull resistance of the towed ship, they are very promising. However, additional tests and modifications need to be carried out in the final two ships towing system simulation model. These modifications will enable the model to become more robust and will increase the accuracy level of its predictions. This way the model will illustrate more clearly the equality between the towline tension, at the stern of the tow ship, and the total hull resistance of the towed ship, when the wake effect of the tow ship is avoided. In future works, in order to maximize the accuracy of the simulation models developed in the present study, one major supplementary step should be taken. Namely, it is recommended to include additional mathematical models representing some other practical phenomena that have not been considered in this doctoral research, which can strongly affect the behavior of the two ships towing system. These kinds of modifications will make the simulation model sound more realistic and will maximize the reliability of the final simulation model.

Dünyanın varoluşundan buyana insanlar değişik tipte gemiler kullandılar, bu gemilerin sevkleri için çarklardan ve yelkenlerden başlayarak, buhar makinaları devrinden geçerek bugünkü Diesel motorlar, türbinler, elektrikli tahrik ve nükleer tahrik devrine kadar farklı araçlar kullandılar. Günümüzde denizcilik endüstrisinin çok yüksek seviyede bir gelişim seviyesine ulaştığı çok açıktır, ancak insan ırkının hiç tatmin olmayan geliştirme ve optimizasyon iştahının gelecekteki gemilerimizin tahriki için hangi araçların kullanılacağını sadece tanrı bilebilir. Bununla beraber 1860'ların başlarına kadar gemi direnci hakkında çok az bilgi vardı ve o çağda geminin tahriki konusunda doğru kabul edilmiş birçok yanlış mevcuttu. Bunun sonucunda, pervane dizaynı işlemi deneme ve yanılma metoduna dayalıydı ve gemilerin sevk gücü çoğunlukla yanlış tahmin edilirdi. Bu zamandan itibaren belirli bir gemi hızına erişmek için gerekli olan gemi sevk gücünün tahmini için bir metodoloji ihtiyacı çok açık olarak ortaya çıkmıştır. 1870 yılında, W. Froude tam ölçek gemilerin direncini tahmin etmek için gemi modeli testlerine başlamıştır ve bu zamandan itibaren gemi mühendisleri gemi modeli çekme tanklarının potansiyelinden faydalanmaya başladılar. 1980'lerin başlarında Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) geliştirildi ve günümüze kadar tekne etrafındaki akımların modellenmesi, gemi direncinin türetilmesi ve gemi pervanesinin dizaynı için güvenilir bir araç olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, geminin direncinin tahmini için önceden belirtilen tekniklerin her birinin çok ciddi dezavantajları vardır. Örneğin, gemi modellerinin ve çekme tankındaki deneylerin maliyeti ve özellikle nihai tasarımı optimize etmek için aynı geminin farklı tasarımlarının çalışılması gerektiğinde çok yüksek olabilir. CFD paketleri için karşılaşılan temel sorun, kullanıcılarının belirli bir durumun uygun varsayımlarla simülasyonunu yapabilmeleri ve üretilen sonuçları doğru yorumlayabilmeleri için yüksek düzeyde uzmanlığa sahip olmaları gerektiğidir. Bu perspektif göz önüne alındığında, bu doktora tezi, toplam gemi tekne direncinin tahmini problemine yeni bir yaklaşım getirmeyi amaçlamaktadır. Önerilen bu metodolojide, iki büyük kardeş konteyner gemisinden oluşan bir çekme sisteminin simülasyonu yapılmakta ve çekilen konteyner gemisinin toplam tekne direnci, çeken konteyner gemisinin kıç tarafındaki çekme halatının geriliminden çıkarılmaktadır. Bir geminin toplam tekne direncinin araştırılmasında bu yeni yaklaşımın temel özelliği, doğası gereği bir hidrodinamik problemi olan bu probleme bir makine mühendisliği perspektifinin kazandırılmasıdır. Bu, sorunun genellikle denizde gemi davranışını içeren vakaları analiz etmek için kullanılan akışkanlar mekaniği teorileri yerine mekanik teorilerinin kullanılmasıyla çözüldüğü anlamına gelir. Yani bu doktora tezinde önerilen yaklaşımın tamamı, iki büyük kardeş konteyner gemisinden oluşan bir çekme sistemini oluşturan ana elemanların dinamiklerinin modellenmesi ve simülasyonuna dayanmaktadır. Bu doktora tezindeki çalışma, aşağıdaki gibi düzenlenmiş dört ana göreve ayrılmıştır: İlk görevde, bir büyük konteyner gemisini sevk eden iki zamanlı gemi Diesel motorunun, birleştirilmiş ortalama-değer ve sıfır-boyutlu modelleme yöntemi kullanılarak modellenmesi ve simülasyonu yapılmıştır. İki zamanlı bir Diesel motorun döngüsünü temsil eden bu yöntemin özü, silindirdeki egzost valfi açıklığından (EVO) egzost valfi kapanmasına (EVC) kadar süren açık çevrimin bir ortalama değer modeli kullanılarak temsil edilmesidir. Egzost valfinin kapanmasından egzost valfinin açılmasına kadar devam eden silindirdeki kapalı çevrim, sıfır boyutlu bir model ile temsil edilmektedir. Bu şekilde, her iki modelleme yaklaşımının yeteneklerini birleştirerek fayda elde edilir. İkinci görevde, gemi Diesel motoru üreticisinin test yatağında kaydedilen deneysel verileri kullanarak geliştirilen iki zamanlı dizel motoru ayarladıktan sonra, bu motorun modeli büyük bir konteyner gemisinin tahrik tesisinin simülasyon modeline dahil edilir. Daha sonra, bu konteyner gemisinin hızı, gemi boyu doğrultusundaki dinamikleri temsil eden basit bir matematiksel model vasıtasıyla modellenir ve tahmin edilir. Üçüncü görevde, bir römorkör ve bir mavnadan oluşan bir çekme sisteminin simülasyon modeli geliştirilmiş ve test edilmiştir. Bu model, üç serbestlik derecesinde gemilerin hareket özelliklerini analiz etmek için römorkör ve mavnanın manevra denklemlerini kullanır. Ek olarak, model, dinamik çekme halatı gerilimi ile birleştirilen çekme halatı hareketini modellemek için 2 Boyutlu toplu kütle yöntemini uygular. Bu simülasyon modelinde, römorkörün pervanesinin dönme hızı, simülasyon modeline girilen sayısal bir girdidir ve römorkörün sevk tesisi matematiksel olarak modellenmemiş ve MATLAB Simulink hesaplama ortamında uygulanmamıştır. Dördüncü görevde, daha önce geliştirilen römorkör-mavna çekme sisteminin simülasyon modeli, büyük bir iki zamanlı gemi Diesel motorunu temsil eden başka bir simülasyon modeli ile ilişkilendirilmiştir. Daha sonra, bu birleşik nihai simülasyon modeline, büyük bir konteyner gemisini, büyük bir iki zamanlı gemi Diesel motorunu ve bir deniz pervanesini tanımlayan karakteristik veriler girilmektedir. Sonuç olarak, bu yeni kurulumla birlikte, römorkör-mavna çekme sisteminin simülasyon modeli, iki büyük kardeş konteyner gemisinin oluşturduğu bir çekme sisteminin simülasyon modeline dönüştürülmüş ve içerisinde çeken konteyner gemisinin sevk tesisi tamamen modellenmiştir ve MATLAB Simulink hesaplama ortamında uygulanmıştır. Tüm bu simülasyon süreci boyunca, bu iki geminin çekme sisteminin farklı elemanlarının davranışını tanımlayan farklı simülasyon sonuçları üretilir. Üretilen çıktı, iki zamanlı gemi motoru ve ana elemanlarını (turboşarjer, giriş manifoldu, egzost manifoldu, vb.), çeken konteyner gemisini, çekme halatını ve çekilen konteyner gemisini kapsar ve iki geminin çekme sisteminin ilgili elemanı için kaydedilen deneysel sonuçlarla karşılaştırılır. Gemilerin dirençleri için, bu çekme sistemini oluşturan iki kardeş konteyner gemisinin her birinin toplam tekne direnci, bu doktora tezinde geliştirilen son simülasyon modeli ile üretilir ve aynı konteyner gemisinin MAXSURF gemi mühendisliği yazılımı tarafından öngörülen toplam tekne direnci ile karşılaştırılır. Son olarak, simülasyon süresi boyunca çeken konteyner gemisinin kıç tarafındaki çekme halatı geriliminin değişimi için simülasyon modeli tarafından tahmin edilen değerler, iki kardeş konteyner gemisinin her birinin toplam tekne direnci ile karşılaştırılır. Bu şekilde, bu üç değerin yakınlık derecesi (çekme halatı gerilimi, çeken konteyner gemisi toplam direnci ve çekilen konteyner gemisi toplam direnci) incelenir. Bu doktora çalışmasında kullanılan yazılımla ilgili olarak, MATLAB Simulink simülasyon ortamı, bu iki gemi çekme sisteminin modellemesinde yer alan tüm matematiksel modelleri uygulamak için kullanılmıştır. MAXSURF Modelleme ve Direnç modülleri, sırasıyla büyük konteyner gemisinin tasarımı ve toplam tekne direncinin hesaplanması için kullanılmıştır. Bu yazılıma ek olarak, Free!Ship programı bu çalışmada kullanılan gemi pervanelerinin tasarımında kullanılmıştır. Bu tezin farklı bölümlerinde elde edilen sonuçlar farklı doğruluk derecelerine sahiptir ve bu büyük ölçüde simülasyonu yapılan iki gemi çekme sistemine dahil edilen her bir bileşene bağlıdır, ancak genellikle bu sonuçlar kabul edilebilir aralıktadır. Simülasyon modelinin girdi verilerinin rolü belirleyicidir ve nihai simülasyon modelini besleyen gerekli girdi verilerinin önemli bir kısmının gerçek değerleri hakkındaki belirsizlik, son simülasyon modelinin davranışını etkilemiş ve üretilen sonuçların doğruluğunu azaltmıştır. Ayrıca, bu doktora tezi araştırmasında geliştirilen son simülasyon modelinin göreli basitliği, bu simülasyon modelinin gerekli hesaplama gücü açısından çok uygun ve gerekli icra süresi açısından çok hızlı olarak nitelendirilmesine izin vermektedir. Bu tezde sunulan yaklaşımı benimsemeye yönelik bu ilk girişimde, bu iki özellik, bu simülasyon modelinin ürettiği sonuçların bazılarında görünen doğruluk eksikliğini telafi edebilir. Çeken konteyner gemisinin kıç tarafındaki çekme halatı gerilimi ile çekilen konteyner gemisinin toplam tekne direnci arasındaki karşılaştırmanın sonuçları oldukça umut vericidir. Yine de son simülasyon modelinde, çeken konteyner gemisinin iz etkisinden kaçınıldığı halde geminin kıç tarafındaki çekme halatı gerilimi ve çekilen konteyner gemisinin toplam tekne direnci arasındaki eşitliği ifade eden iyi kurulmuş ilişkiyi gösterebilmek için ek düzenlemelerin yapılması gerekmektedir. Gelecekteki çalışmalarda, mevcut çalışmada geliştirilen simülasyon modellerinin doğruluğunu en üst düzeye çıkarmak için, önemli bir ek adım atılabilir. Bu doktora araştırmasında dikkate alınmayan ve iki geminin çekme sisteminin davranışını güçlü bir şekilde etkileyebilecek diğer bazı pratik olayları temsil eden ilave matematiksel modellerin dahil edilmesi önerilebilir. Bu tür değişiklikler simülasyon modelini daha gerçekçi hale getirecek ve şüphesiz son simülasyon modelinin güvenilirliğini en üst düzeye çıkaracaktır.