On Ship Roll Damping : Analysis and Contributions on Experimental Techniques

Resumen

El amortiguamiento en balance es un factor clave para la correcta predicción del comportamiento de un buque en la mar. No obstante, predecir de manera adecuada el coeficiente de amortiguamiento es una tarea compleja. La forma más aceptada para estimarlo es la realización de ensayos experimentales, siendo el más común el ensayo de extinción. Otras técnicas son el ensayo de excitación en balance, en el que el modelo está flotando libremente y es excitado mediante olas regulares de través o elementos mecánicos internos, o los ensayos de oscilaciones forzadas en balance, donde al modelo se le induce un movimiento de balance mediante elementos mecánicos, fijando el eje de rotación. Cada una de estas técnicas está asociada a un escenario hidrodinámico distinto, con lo que las estimaciones del amortiguamiento en balance pueden diferir. En esta Tesis, se han realizado ensayos de excitación en balance y de extinción para determinar el amortiguamiento en balance de un buque arrastrero. Con respecto los ensayos de excitación en balance, se ha propuesto una metodología basada en una masa interna móvil. Con respecto a los ensayos de extinción, se han considerado tres metodologías distintas para generar el ángulo inicial, con el objetivo de estudiar la influencia del movimiento vertical del buque y los efectos de memoria del fluido. De la comparación directa de los coeficientes no lineales estimados con las distintas técnicas, se puede concluir que las tres metodologías de los ensayos de extinción presentan la misma tendencia, que difiere de la de los ensayos de excitación en balance con la masa interna móvil. Luego, para evaluar las diferencias entre ellos, se han realizado simulaciones numéricas de balance en olas regulares considerando las distintas estimaciones del amortiguamiento, comparando los resultados obtenidos con los ensayos de excitación en balance usando olas de través. De estos resultados se puede observar que el amortiguamiento obtenido con los ensayos de excitación usando la masa interna móvil es más cercano al amortiguamiento del buque con olas de través. Finalmente, se ha llevado a cabo un análisis de sensibilidad del amortiguamiento en balance en las regulaciones internacionales relativas a la estabilidad de los buques. De este análisis se deduce que, para una de las regulaciones consideradas, el coeficiente de amortiguamiento en balance puede ser un parámetro determinante. ----------ABSTRACT---------- Ship roll damping represents a key factor for a proper prediction of the ship behaviour in a seaway. However, accurately estimating the roll damping is a challenging task. The most accepted way to reliably estimate the ship roll damping is by experimental tests. The most typical means for roll damping determination are free roll decays. Other tests are either excited roll tests, where the model is freely floating and rolled by regular beam waves or internal mechanical devices, or forced roll tests, in which the ship model is rotated by mechanical means with a fixed axis. These different experimental approaches are associated with distinct hydrodynamic scenarios. Therefore, in principle, estimated roll damping may differ depending on the considered approach. In this Thesis, excited roll tests and decay tests are used to determine roll damping for a trawler fishing vessel, and the arising differences are analysed. Regarding excited roll tests, a technique is proposed, based on an internal shifting mass. Concerning decay tests, three methodologies for impressing the initial heel angle are introduced, with the aim to study heave response influence on ship roll motion and fluid memory effects. From the direct comparison of estimated nonlinear damping coefficients, it may be concluded that the three methodologies of decay tests present the same trend, which differs from internally excited roll tests. Then, to assess the differences found between decay and internally excited roll tests, numerical simulations of the ship rolling in regular beam waves using the different roll damping estimations are compared to experimental data. From these results, it is seen that damping estimated from internally excited roll tests is closer to the ship roll damping in beam waves. Finally, a sensitivity analysis of stability-related international regulations to roll damping is performed. From this analysis, it is derived that for one of the regulations considered, roll damping may become a major parameter.