Entwicklung eines Sloshing-Versuchsstandes und eines Ansatzes für ein Assistenzsystem zur Prognose von Sloshing-induzierten Einschlagslasten
Dr.-Ing. Jens Neugebauer, Universität Duisburg-Essen, Curt-Bartsch-Preisträger 2018
Insbesondere Membran-Tanksysteme, die zum Transport von verflüssigtem Erdgas (LNG) eingesetzt werden, sind empfindlich gegenüber hohen Einschlagslasten. Diese entstehen durch das Schwappen der Ladung, sog. Sloshing, und werden beim Entwurf der Schiffe mit Hilfe von Modellversuchen untersucht. Im Betrieb werden für viele Schiffstypen zunehmend Assistenzsysteme eingesetzt, die der Mannschaft durch geeignete Hinweise die Möglichkeit geben, die Sicherheit, Umweltverträglichkeit und Effizienz zu erhöhen. Die Nutzung solcher Assistenzsysteme zur Bewertung von Sloshing-Lasten während des Schiffsbetriebs oder der Planung von Routen ist jedoch noch nicht Stand der Technik.
An der Universität Duisburg-Essen wurde ein Labor zur Untersuchung von Sloshing-Lasten konzipiert und eingerichtet. Modelltanks können in sechs Freiheitsgraden auf einer Stewart-Plattform bewegt werden, Drucksensoren erfassen die Drücke an den Tankwänden und ein Particle-Image-Velocimetry (PIV) System ermöglicht die Messung von Strömungsgeschwindigkeiten. Einzelne Komponenten sowie die gesamte Versuchsanlage wurden im Rahmen von Validierungsarbeiten untersucht.
Ferner wurde ein Ansatz zur Ermittlung von Sloshing-induzierten Einschlagslasten für ein Schiffsassistenzsystem entwickelt. Der Ansatz basiert auf den Ergebnissen systematischer Modellversuche. Dabei wird eine Korrelation zwischen der Beschleunigung des Tanks und den Einschlagslasten hergestellt. Ein, über eine Regressionsanalyse ermittelter, analytischer Zusammenhang zwischen beiden Größen erlaubt dann die Approximation des erwarteten Drucks infolge gemessener oder prognostizierter Beschleunigungen.
Conception and Validation of a Sloshing Test Facility Including an Assistance Approach for Sloshing Impact Loads
Seaway-ship interaction is likely to cause sloshing loads in the cargo containment systems of Liquefied Natural Gas carriers. A determination of critical conditions and load assessment is performed in the design phase of ships, relying on model tests. Apart from the design phase, decision support systems become more and more common onboard ships to increase safety, environmental friendliness, operability and economic profit. However, using decision support systems for assessing sloshing loads during ship operation or during route planning is not yet state-of-the-art.
A sloshing test facility was established in 2011 at the University of Duisburg-Essen. Model tanks can be moved in up to 6-Degree of Freedom. Simultaneous pressure measurements provide information about the impact loads at the tank walls. Particle-Image Velocimetry is used to measure velocity fields without influencing the flow. Validation works for components and comparisons of experimental results with literature data were performed.
A novel assistance approach for the approximation of sloshing impact loads is presented. It relies on systematic physical model tests. A correlation between processed time domain tank acceleration and pressure is used and subjected to regression analysis to determine an analytical expression for the pressure as a function of the acceleration.
