Green Water on Ship-type Offshore Structures
Author B. Buchner
Title Green Water on Ship-type Offshore Structures
Conference/Journal PhD-thesis Delft University of Technology
Month November
Year 2002

Abstract
In heavy storms, the waves and ship motions can become so large that water flows onto the deck of a ship. This problem is generally known as ‘green water loading’. On ship-type offshore structures green water loading can result in risk for the ship, its crew and its sensitive equipment. Therefore, it should be taken into account in the design of such structures.

Based on a historical overview of green water research it was concluded that there is limited insight in the physics of the complex green water problem, which results in a wide range of assumptions in prediction methods. Existing research was also not focussed on moored offshore structures in extreme environmental conditions (‘100 year storms’) and there is very limited insight in the loading process on structures on the deck. Finally, the important problem of green water loading from the side of the vessel has not been studied before. Therefore, the main objective of this study was to develop methods for the evaluation of green water on ship-type offshore structures based on a clear description of the green water physics.

To achieve this objective, first the physics of the green water process on the bow were studied using two series of initial model tests. Based on these tests this process was described in the following phases:

1. Motions and relative wave motions
2. Water flow onto the deck
3. Water behaviour and loading on the deck
4. Green water impact on structures

It was concluded that in all phases of the green water problem non-linear and highly complex phenomena occur. Consequently, the green water problem cannot be predicted with existing linear prediction methods. New numerical methods still need significant further development, integration and validation before they can be used to predict the green water as a whole within a reasonable timeframe. Therefore, a semiempirical design evaluation method was proposed, to predict the green water problem from the input (extreme relative wave motions) to the output (predicted load levels) based on a clear description of the green water physics.

This semi-empirical design evaluation method has been developed using a systematic series of model tests. The building blocks of the method and their relations are presented in detail in the thesis and based on the phases in the green water process. The problem of green water loading from the side of the ship is taken into account as well. The development of the method is completed with a review, together with recommendations for its application in relation with metocean (wind, wave and current) data and structural response analysis.

Finally, the numerical prediction of green water loading is discussed. A number of methods have been evaluated based on the specific requirements related to the physics of green water loading. A numerical method for the prediction of green water loading should be able to deal with:

• Water entry of a flared bow structure.
• Complex flow onto the deck, including the discontinuity at the deck edge.
• ‘Hydraulic jump’-type shallow water flow on a moving ship deck.
• Meeting water flows on the deck.
• Short duration water impact on a structure.
• Overturning flow after run-up of the water in front of the structure.

The evaluation of a Modified-VOF (Volume Of Fluid) method based on these requirements has shown its ability to simulate the complex green water problem, although a number of numerical details need significant further development and validation. The description of the physics and the model test results presented in this thesis, can provide detailed validation material for this process.

Samenvatting (NL)
In zware stormen kunnen de golven en scheepsbewegingen zo groot worden dat water op het dek van het schip stroomt. Dit wordt in het algemeen het ‘groen water’ probleem genoemd. Op scheepsvormige offshore constructies is groen water een risico voor het schip, haar bemanning en haar hoogwaardige apparatuur. Het probleem moet daarom in het ontwerp van de constructie worden meegenomen.

Gebaseerd op een historisch overzicht van het groen water onderzoek is geconcludeerd dat er een beperkt inzicht is in de fysica van het complexe groen water probleem. Dit heeft geresulteerd in voorspellingsmethoden op basis van een ruime variatie van aannamen. Verder is het onderzoek tot nu toe niet gericht geweest op afgemeerde offshore constructies in extreme stormcondities (‘100 jarige stormen’) en is er weinig inzicht in het belastingsproces op constructies op het dek. Tot slot is het probleem van groen water vanaf de zijkant van het schip tot nu toe niet bestudeerd. Daarom was de hoofddoelstelling van deze studie: het ontwikkelen van evaluatiemethoden voor groen water belasting op scheepsvormige offshore constructies gebaseerd op een duidelijke beschrijving van de groen water fysica.

Om deze doelstelling te bereiken, wordt eerst de fysica van het groen water proces op de boeg bestudeerd op basis van twee series initiële modelproeven. Gebaseerd op deze proeven wordt het proces beschreven in de volgende procesfasen:

1. Bewegingen en relatieve golfbewegingen
2. Stroming op het dek
3. Gedrag en belasting van het water op het dek
4. Groen water belasting op constructies op het dek

Op basis hiervan wordt geconcludeerd dat in alle fasen van het groen water probleem niet-lineaire en sterk complexe verschijnselen voorkomen. Als gevolg hiervan kan het probleem niet worden voorspeld met bestaande lineaire berekeningsmethoden. Nieuwe numerieke rekenmethoden moeten nog verder worden ontwikkeld, geïntegreerd en gevalideerd voordat ze het probleem als geheel kunnen voorspellen binnen een redelijke rekentijd. Daarom wordt een semi-empirische ontwerp evaluatiemethode gepresenteerd om het groen water probleem van begin (extreme relatieve golfbewegingen) tot eind (belastingniveaus op constructies) te voorspellen op basis van een duidelijke beschrijving van de groen water verschijnselen.

Deze semi-empirische ontwerp evaluatiemethode is ontwikkeld op basis van een systematische serie modelproeven. De bouwstenen van de methode en de relaties tussen de verschillende grootheden worden in detail gepresenteerd op basis van de verschillende fasen in het groen water proces. Ook het probleem van groen water over de zijkant van het schip wordt hierbij meegenomen. De ontwikkeling van de methode wordt afgesloten met een evaluatie, waarbij aanbevelingen worden gedaan voor het gebruik in relatie met de omgevingscondities (wind, golven en stroom) en voor de analyse van de dynamische reactie van constructies op groen water belastingen.

Tot slot wordt de numerieke voorspelling van groen water belasting besproken. Een aantal rekenmethodes is geëvalueerd op basis van de specifieke voorwaarden voor de beschrijving van het groen water probleem. Een numerieke methode voor de voorspelling van groen water moet de volgende aspecten kunnen beschrijven:

• Het in het water komen van een uitwaaierende boegvorm.
• Complexe stroming op het dek, inclusief de discontinuïteit van de scherpe dekrand.
• ‘Hydraulische schok’-achtige ondiep water stromingen over een bewegend dek.
• Elkaar ontmoetende waterstromen op het dek.
• Kortdurende belastingen op een constructie.
• Overslaande stroming nadat het water tegen de voorkant van een constructie is omhoog gestroomd.

De evaluatie van een aangepaste-VOF (Volume Of Fluid) methode op basis van deze voorwaarden, heeft de mogelijkheden ervan voor het voorspellen van het complexe groen water probleem aangetoond. Wel is een significante verdere ontwikkeling en validatie van een aantal numerieke details van de methode noodzakelijk. De beschrijving van de fysica en de modelproef resultaten zoals gepresenteerd in dit proefschrift, kunnen dit proces van gedetailleerd validatie materiaal voorzien.

Download File
PDF format, file size 17.6 MB.
Disclaimer | print