Hydrodynamic Forces on Pusher-Barge Convoys in Deep and Shallow Water

The present thesis focuses on  experimental and numerical investigations of hydrodynamic forces and moments acting on pusher-barge convoys in deep and shallow waters. For this purpose, a typical inland waterway pushed convoy was designed and tested in three representative configurations. The experimental tests consisting of captive tests such as resistance and propulsion tests, steady drift variation tests, and steady rudder variation tests were conducted in both deep and shallow waters. Furthermore, optical measurements were performed to capture and analyze the complex flow pattern in the gap between the pusher and a barge under deep and shallow water conditions.  The experimental results were used to define the limits and validate the numerical methods

In this work, a numerical procedure based on the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations was used to gain insight into the complex flow around multibody ships in deep and shallow waters. In general,  numerical and measured hydrodynamic forces and moments agreed favorably. Furthermore, two-equation turbulence models and Improved Delayed Detached Eddy Simulation technique were used to predict the gap flow in deep and shallow waters. The latter technique was found to be the most reliable, especially for predicting the velocity field in fully separated flow regions. The extensive and systematic experimental and numerical investigations showed that the water depth restriction has major effects on the hydrodynamic performance of such multibody ships.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit experimentellen und numerischen Untersuchungen der hydrodynamischen Kräfte und Momente, die auf Schubverbände in tiefen und flachen Gewässern wirken. Zu diesem Zweck wurde ein für die Binnenschifffahrt typischer Schubverband entworfen und in drei repräsentativen Konfigurationen getestet. Die experimentellen Versuche, bestehend aus Widerstands- und Propulsionsversuchen, Schrägschleppversuchen und Rudervariationsversuchen, wurden sowohl in tiefen als auch in flachen Gewässern durchgeführt. Zusätzlich wurden optische Messverfahren eingesetzt, um das komplexe Strömungsfeld in der Spalte zwischen Schubschiff und Leichter unter Tiefen- und Flachwasserbedingungen zu erfassen und zu analysieren. Die experimentellen Ergebnisse wurden zur Validierung der numerischen Methoden verwendet.

In dieser Arbeit wurde eine numerische Methode auf der Grundlage der Reynolds-gemittelten-Navier-Stokes-Gleichungen verwendet, um einen detaillierten Einblick in die komplexe Strömung um Schubverbände in tiefen und flachen Gewässern zu erhalten. Im Allgemeinen stimmten die numerischen und gemessenen hydrodynamischen Kräfte und Momente gut überein. Es wurden Zweigleichungs-Turbulenzmodelle und die Improved Delayed-Detached Eddy Simulation Technik zur Vorhersage der Spaltströmung in tiefen und flachen Gewässern verwendet. Die letztgenannte Methode erwies sich als die zuverlässigste, insbesondere für die Vorhersage des Geschwindigkeitsfeldes in vollständig abgelösten Strömungsbereichen. Die umfangreichen und systematischen experimentellen und numerischen Untersuchungen haben gezeigt, dass die Einschränkung der Wassertiefe einen bedeutenden Einfluss auf das hydrodynamische Verhalten solcher Mehrkörperschiffe hat.

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