Vorhersage von Welle-Struktur Interaktion mittels neuartiger Methoden zur Seegangsvorhersage
Dr.-Ing. Sascha Kosleck, Curt-Bartsch Preisträger 2013
Ziel ist die Entwicklung eines deterministischen, vollständig auf linearer Theorie basierenden Verfahrens, mit dem auf offener See die Entwicklung eines Wellenfeldes in Echtzeit vorhergesagt werden kann. Die vorliegende Arbeit untersucht die Vorhersage von natürlichen Seegängen sowie die Vorhersage des Bewegungsverhaltens von Schiffen oder Strukturen auf Basis einer Reihe von Momentaufnahmen der bewegten, freien Wasseroberfläche. Dazu werden unidirektionale Seegänge mit verschiedener Charakteristik im Wellenkanal simuliert und untersucht. Die simultane Registrierung des Seegangs an 451 verschiedenen Positionen ermöglicht sowohl das Generieren von Momentaufnahmen der freien Wasseroberfläche, als auch den Vergleich von Vorhersagen und Messungen an fast beliebig vielen verschiedenen Positionen. Die Arbeit zeigt, dass sich durch die Analyse im Frequenzbereich und die Beschreibung der natürlichen Seegänge mittels des gewählten linearen Ansatzes, Verfahren entwickeln lassen, mit denen die aufgemessenen Seegänge, innerhalb eines klar definierten Gültigkeitsbereichs in Raum und Zeit, schnell und zuverlässig vorhergesagt werden können. Durch die Vorhersage eines zu erwartenden Begegnungsseegangs am Ort einer Struktur/eines Schiffs lässt sich in weiterer Abfolge ebenfalls dessen Bewegungsverhalten vorhersagen, Voraussetzung ist die vorab erfolgte Untersuchung der frequenzabhängigen Bewegungscharakteristik des zu untersuchenden Systems. Für die Betrachtung fahrender Schiffe ist insbesondere zu berücksichtigen, dass sich die Bewegungscharakteristik mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit deutlich ändert. Zur Validierung werden zusätzliche Versuche im Wellenkanal durchgeführt. Dabei wird das entweder fest verankerte oder fahrende Schiff den bereits untersuchten Seegängen ausgesetzt und dessen Bewegungsverhalten aufgemessen. Die Arbeit zeigt deutlich, dass die angewendeten linearen Methoden das Bewegungsverhalten der Struktur/des Schiffs, innerhalb der Zeiträume in denen die Seegangsvorhersage verlässliche Ergebnisse liefert, ausgezeichnet abbilden.
Prediction of Wave-Structure Interaction by Advanced Wave Field Forecast
Objective target of this work is the development of a linear, deterministic approach for the just-in-time prediction of an ocean wave field. This survey focuses on the forecast of natural sea states as well as wave induced vessel/structure motions based on information gathered from a series of surface elevation snapshots of the surrounding free water surface. Therefore unidirectional sea states with different characteristics are generated in a seakeeping basin and investigated at model scale. Simultaneous measurements at 451 different positions enable not only the artificial generation of surface elevation snapshots (input) but also the comparison of predictions (output) and measurements at an almost arbitrary number of different positions. It is shown, that frequency domain analyses and the characterization of the sea state using a linear approach, enable the development of procedures for the prediction of natural sea states in time and space, inside a well-defined range of validity. By forecasting the wave train to be encountered by a ship or offshore structure, the wave induced motion behaviour can subsequently be derived – given that the frequency domain transfer functions of the system are known. For cruising vessels, the dependency of the transfer functions on the cruising speed of the vessel has to be paid special attention to. To validate the procedures developed within this thesis, additional test runs at model scale are conducted, where the vessel is exposed to the sea states already investigated and the motion behaviour of the system is recorded. This work clearly shows that the developed linear methods for the prediction of the motion behaviour of a stationary or cruising vessel/structure deliver excellent results
