This paper deals with the added resistance of a ship in waves using computational fluid dynamics (CFD). The ship added resistance is one of the key considerations in the design of energy-efficient ship. In this study, the added resistance of a LNG carrier in head waves is computed using a CFD code to consider the nonlinearity and the viscous effects. The unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes equation (RANS) is numerically solved and the volume of fluid (VOF) approach is used to simulate the free surface flows. The length of incident wave varies from half the ship length to twice the ship length. To investigate the nonlinearity effect, both the linear wave condition and the nonlinear wave condition are considered. The heave and pitch motions are calculated along with the added resistance, and the wave contours are obtained. Grid convergence test is conducted thoroughly to achieve the converged motion and resistance values. The calculated results are compared and validated with experimental data.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제9권5호
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pp.499-508
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2017
This paper uses optimization techniques to obtain bow hull form of a 66,000 DWT bulk carrier in calm water and in waves. Parametric modification functions of SAC and section shape of DLWL are used for hull form variation. Multi-objective functions are applied to minimize the wave-making resistance in calm water and added resistance in regular head wave of ${\lambda}/L=0.5$. WAVIS version 1.3 is used to obtain wave-making resistance. The modified Fujii and Takahashi's formula is applied to obtain the added resistance in short wave. The PSO algorithm is employed for the optimization technique. The resistance and motion characteristics in calm water and regular and irregular head waves of the three hull forms are compared. It has been shown that the optimal brings 13.2% reduction in the wave-making resistance and 13.8% reduction in the added resistance at ${\lambda}/L=0.5$; and the mean added resistance reduces by 9.5% at sea state 5.
A simple calculation tool for added resistance in waves is developed to utilize for initial design or embedded module for navigation support system. In order to select an appropriate calculation method for added resistance in waves, three methods (drift method, integrated pressure method, radiated energy method) based on strip method are applied to Wigley I and KVLCC2. The methods for added resistance in waves give the underestimated results because it is difficult to consider nonlinear effects due to reflected wave. We apply asymptotic (Faltinsen's method) and empirical formula (NMRI's method) to improve the accuracy for short wave length region. In comparison with experimental results, the combination of radiated energy method and short wave correction method of NMRI is the most reasonable. However, a simple sum of results calculated by two methods gives rise to the overestimation of added resistance for short wave length region because added resistance of radiated energy method exits in total reflection region. To overcome this problem, modified radiated energy method is proposed using correction coefficient defined by reflection coefficient of NMRI's method. Finally, added resistance in regular waves is composed of added resistance of modified radiated energy method and that of short wave correction method of NMRI. Estimated added resistance in regular waves is validated by comparison with experimental results of other research groups.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제11권1호
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pp.143-153
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2019
In this study, numerical simulations for the prediction of added resistance for KVLCC2 with varying wave steepness are performed using a Computational Fluid Dynamics (CFD) method and a 3-D linear potential method, and then the non-linearities of added resistance and ship motions are investigated in regular short and long waves. Firstly, grid convergence tests in short and long waves are carried out to establish an optimal mesh system for CFD simulations. Secondly, numerical simulations are performed to predict ship added resistance and vertical motion responses in short and long waves and the results are verified using the available experimental data. Finally, the non-linearities of added resistance and ship motions with unsteady wave patterns in the time domain are investigated with the increase in wave steepness in both short and long waves. The present systematic study demonstrates that the numerical results have a reasonable agreement with the experimental data and emphasizes the non-linearity in the prediction of the added resistance and the ship motions with the increasing wave steepness in short and long waves.
Since most merchant vessels are mainly influenced by the added resistance in an actual sea, they could be navigated more efficiently if this added resistance could be precisely predicted and then effectively reduced. In this paper, we have computed the effective horsepower based on the resistance performance in still water and then calculated the added resistance in regular wave in order to estimate a ship's propulsion performance on a voyage. Firstly, we have performed experiments using a model of KCS in a circulating water channel to estimate the flow characteristics around a container ship and the ship's resistance in still water. Then we have calculated the motion response function in regular wave as well as the values for the increase in resistance, and evaluated the ship's motion performance in waves according to the calculated response function. It was found that the resistance in waves increased because the ship's motion response value became larger as the ship's speed increased in the case of head sea. The effect of the added resistance could be reduced by maneuvering the ship to the encounter angle of $120^{\circ}$ in areas of long wavelengths and to head sea in areas of short wavelengths.
Standard values in graphic porms are presented for the ratio of added wave resistance to the sun of added wave and wind resistances in head sea for three ship types, tanker, container ship and passenger ship. The effect of ship length on the ratio defined above is investigated for the three ship types. Obique sea added resistance is determined using wave direction reduction factor. The factor is obtained from model test results and cubic spline interpolation technique.
The added resistance of a ship advancing in waves can be split into the resistance due to the radiation wave and the resistance due to the diffraction wave. In this study, the former has been calculated by a method based on Maruo's formula. The latter must be calculated by other methods. Ship motion is calculated by the usual strip method. The amplitude of two dimensional far-field waves is calculated using the improved Green integral equation. The present numerical method can be used for the estimation of the added resistance due to the radiation wave since the present numerical result is much smaller than other existing numerical results considered to be overestimated.
선박이 파랑중을 항행할 경우에는 정수중에 비하여 저항이 증가하기 때문에 예부선의 안정성 확보를 위해 예선의 예인마력과 예인삭의 절단하중 등을 산정할 때에 부선의 정수중 저항값 및 파랑중 저항값을 정확히 추정해야 안전한 예항업무를 이행할 수 있다. 현재 정부에서 제안하고 있는 방법에 의하면 부선의 전저항 산정시 마찰저항, 조파저항, 공기저항은 선체의 형상 및 예선의 속력 등을 고려하여 산정하지만 부가저항은 유의파고에 따라 일률적으로 적용하고 있다. 본 연구에서는 파랑중 부가저항 추정을 위해 수치계산을 실시하여 wigley 선형에 대한 기존의 실험 데이터와 상호 비교함으로서 본 계산법의 유효성을 검증하고, 검증된 수치계산법을 토대로 실무에서 많이 사용되고 있는 두개의 부선 모델을 대상으로 계산을 실행한 결과 부선의 부가저항은 파도와의 만남각에 따라 약 0.3∼1.1톤, 예인속력에 따라 약 0.4∼1.2톤, 선수형상에 따라 약 0.5∼1.1톤으로 차이가 발생함을 확인하였다.
An approximate method for calculating added resistance due to regular wave reflection has been established. In order to confirm the applicability of this method, an experimental work was carried out using a Series 60 model with oscillations in the 6-degrees of freedom restricted. Particular attention was paid to the case of the shorter wave length range where the effect of wave reflection is dominant compared to the effects of the ship's motions($\lambda/H=10.6-101.0,\;\lambda/L=0.23-1.18,\;F_n=0.10-0.25$). When comparing the measured and the computed resistance due to wave reflection in a head sea, good agreement is shown. This paper is based on research done by the Author as a member of the Ship Performance Group in the Department of Naval Architecture and Shipbuilding of the University of Newcastle-upon-Tyne in England, under the supervision of Dr. R.L. Townsin.
In this study, the added resistance of ships in short waves is systematically studied by using two different numerical methods - Rankine panel method and Cartesian grid method – and existing asymptotic and empirical formulae. Analysis of added resistance in short waves has been preconceived as a shortcoming of numerical computation. This study aims to observe such preconception by comparing the computational results, particularly based on two representative three-dimensional methods, and with the existing formulae and experimental data. In the Rankine panel method, a near-field method based on direct pressure integration is adopted. In the Cartesian grid method, the wave-body interaction problem is considered as a multiphase problem, and volume fraction functions are defined in order to identify each phase in a Cartesian grid. The computational results of added resistance in short waves using the two methods are systematically compared with experimental data for several ship models, including S175 containership, KVLCC2 and Series 60 hulls (CB = 0.7, 0.8). The present study includes the comparison with the established asymptotic and empirical formulae in short waves.
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