[論文レビュー] An Integrated Experimental and Computational Investigation into the Dynamic Loads and Free-surface Wave-Field Perturbations Induced by Head-Sea Regular Waves on a 1/8.25 Scale-Model of the R/V ATHENA

Toby Ratcliffe, Lisa Minnick+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Ship Hydrodynamics and Maneuverability参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、R/V ATHENAの1/8.25スケールモデルに対するヘッドシーウェーブ下での動的荷重および自由表面波場の摂動を、実験的・数値的統合的アプローチで調査した。力測定と定量的レーザー光線法による可視化を用い、NFA CFDコードによる数値予測を検証した。波場摂動に関しては相関係数が82%〜96%に達し、水平および垂直荷重についてもFroude数0.25および0.43で良好な一致が得られた。

ABSTRACT

A 1/8.25 scale-model of the U.S. Navy Research Vessel ATHENA was tested in regular head-sea waves to obtain data for validation of computational fluid dynamics (CFD) predictive tools. The experiments were performed in the David Taylor Model Basin at the Naval Surface Warfare Center (NSWC). With the model towed fixed in head-seas, horizontal and vertical loads on the model were obtained at two Froude numbers, $F_r=0.25$ and $F_r=0.43$. The model was run at two conditions of head-sea wavelengths corresponding to $λ=2L_o$ and $λ=1/2L_o$ with $H/λ=0.03$, where $L_o$ is the length of the model and $H=2 a$ is the wave height. The wave field perturbations induced by the head-sea waves were quantified from free-surface images generated by a laser light sheet. Predictions of the horizontal and vertical loads on the model in regular head sea waves were made with the Numerical Flow Analysis (NFA) code. Numerical predictions of the wave-field perturbations were compared with the experimental data and the correlation coefficients have been computed.

研究の動機と目的

• CFDの検証を目的とした、波動誘発動的荷重および自由表面波場摂動に関する包括的実験データセットの構築。
• さまざまなFroude数および波長における、軍用戦闘艦型（R/V ATHENA）の形状がヘッドシーウェーブ条件下で示す挙動の調査。
• スケールモデルからの高精度な実験測定値を用いて、計算流体力学（CFD）の予測を検証すること。
• 国際的なCFDコミュニティが船舶波動力学の予測能力を向上させるためのベンチマークデータセットの提供。

提案手法

• NSWCのデイビッド・テイラー・モデル・バンクで、1/8.25スケールR/V ATHENAモデルを2つのFroude数（Fr = 0.25および0.43）で固定して牽引モデル試験を実施。
• 2つの軸方向位置（x/L₀ = 0.25および0.81）で、Kistler 6自由度力計を用いて水平および垂直力の測定を実施。
• 非侵襲的定量可視化（Q-Viz）レーザー光線法システムを用いて、自由表面波場摂動を定量化。
• 10 Hzのサンプリングレートで、ソニック距離センサー（ToughSonic TS-15S-IV）を用いて波高データを収集。
• Cray XT3スーパーコンピュータ上で384計算ノードを用い、高解像度グリッド（100,663,296点）とNFAコードによる3次元CFDシミュレーションを実施。
• 波作動境界条件を適用し、一時的効果を最小限に抑えるために、0.5周期のラグアップを用いた時間平均波動力の導入を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Froude数0.25および0.43における、1/8.25スケールR/V ATHENAモデルがヘッドシーウェーブ下で受ける動的荷重（水平および垂直）はどのように変化するか？
• RQ2 数値的CFD予測による波場摂動と、レーザー光線法可視化による実験測定値との一致度合いはどの程度か？
• RQ3 遭遇波周期の異なる位相において、実験的および数値的予測の自由表面波パターンとの相関はどの程度か？
• RQ4 波長（λ = 1/2L₀およびλ = 2L₀）および波の傾き（H/λ = 0.03）が荷重および波場応答に与える影響は何か？
• RQ5 荷重および波場挙動に影響を与える主な物理的メカニズム（例：静水圧、波の崩壊、構造的振動）は何か？

主な発見

• 水平および垂直力の数値的予測は、実験測定値と良好に一致しており、特に波長が長いケース（λ = 2L₀）で顕著であった。
• 遭遇波周期の8つの位相刻みにおける、実験的および数値的波場摂動の相関係数は、0.8191〜0.9612の範囲にあった。
• 最高の相関（0.9612）はTₑ/4で観測され、波パターン予測の優れた位相ロックされた一致を示した。
• 数値的シミュレーションでは、船首部に大きなプランジングブレイカーが形成され、船尾部に顕著なロースタイルが発生しており、実験観察と一致した。
• 長波長ケースにおける高調波のずれは、モデル支持系の構造的振動に起因するとされた。
• IGES形式のトリムドモデル幾何形状ファイルを含むデータセットは、CFDの検証およびコード開発のため、公開されている。