Design of experiments approach to the flooding of damaged ships

• Auteur / Autrice : Chadi Khaddaj-Mallat
• Direction : Pierre Ferrant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides et des transferts
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plan d'expérience

Navigation -- Accidents

Transport de voyageurs

Navires

Mots clés libres

Méthode DOE (Design of experiments)

Résumé

Les navires à passagers sont sensibles à un chavirement rapide dû à l’entrée soudaine de l’eau lors d’accidents maritimes. Durant et après la création de l’endommagement, le navire envahi peut souffrir de phases intermédiaires très dangereuses, qui risquent éventuellement de le détruire. Une investigation expérimentale utilisant la section centrale du navire à passager PRR02 – ITTC/SiW a été menée afin de déterminer les facteurs influençants ainsi que la manière dont ils interagissent entre eux. De plus, elle a pour but d’améliorer la compréhension de la physique de l’envahissement et de vérifier si l’investigation de ce type de navire est adéquate en eau calme. Une méthode innovante en ingénierie océanique, celle des Plans d’expériences (DOE), est utilisée pour planifier et conduire les tests, ainsi qu’analyser leurs résultats. Durant les phases intermédiaires d’envahissement, l’eau et l’air interagissent fortement entre eux et influencent le comportement du navire lui-même. Cette interaction est mise en évidence par la détection de trois pics importants des réponses. De plus, la présence de hautes et basses fréquences est observée dans le compartiment des machines. Ceci dépend de la compressibilité de l’air, et le ballotement de l’eau à l’intérieur de ces compartiments. Les tests confirment que le coefficient de décharge n’est pas constant pendant l’envahissement et ils l’évaluent expérimentalement. En se basant sur un plan factoriel d’expérience, un modèle mathématique caractérisant l’envahissement a été construit, validé, puis optimisé. Il met en évidence, pour le cas d’endommagement par le coté de ce type de navires, une influence marquée de la surface d’ouverture, de l’excitation externe, du tirant d’eau, ainsi que du temps de création de l’endommagement. La géométrie du compartiment des machines (disposition des blocs et perméabilité) a relativement peu d’influence. Les paramètres relatifs à l’air (envahissement transversal et niveau de ventilation) ont assez peu d’influence dans ce cas. Cette étude démontre l’utilité et l’efficacité de la méthode DOE. Elle construit la base d’élaboration d’une nouvelle procédure pour étudier la survivabilité des navires à passagers durant et après avarie. De plus, les modèles théoriques et les codes numériques pourront profiter des résultats obtenus afin d’améliorer leurs performances.

Roll-On/Roll-Off passenger vessels appear to be sensitive to rapid capsizing due to abrupt ingress of water caused by maritime accidents. As a result of the damage creation, the flooded ship can experience transient and progressive flooding phases (Intermediate Flooding Stages, IFS) which might be more devastating than the final condition, as the sudden loading could significantly alter the ship stability characteristics. An experimental investigation using the midsection of the PRR02 – ITTC/SiW Ro-Ro passenger ferry is undertaken to determine the influential factors within the IFS, and to reveal their individual influence, as well as their interactions. More importantly, it is devoted to hopefully provide profound insight into the flooding physics and look over the adequacy of the calm water condition to assess the IFS of such vessels. A novel-in-ocean-engineering methodology, the Design of Experiments (DOE), is used to plan systematic model tests, perform them, and analyze their results. During the IFS, a strong interaction is found between, on one hand, both implicated fluids, i. E. Water and air, and, on the other hand, the model geometry and behavior. The detection of three conspicuous peaks highlights this interaction. Moreover, a two-fold behavior is observed in the Engine Room partially submerged. These behaviors are drawn by the air compressibility, the water surface, as well as the sloshing occurring inside this room. The tests confirm that the discharge coefficient for realistic flooding situations is not constant during the flooding, and estimate it experimentally. Besides, a mathematical model characterizing the IFS is successfully built, then optimized. Regarding the global behavior of such vessels suffering from side damages, it is pointed out that the Damage Opening area, the external excitation, the initial draught, and the duration of damage creation most affect the IFS; then Engine Room-related parameters (permeability and layout) come with a relatively less influence. A relatively very little influence is found for Air-related parameters (cross-flooding and air-ventilation level). This study demonstrates the validity and efficiency of applying the DOE methodology in Damaged Survivability Domain, and establishes a suitable basis to elaborating a novel assessment procedure based on ‘interactive research’ to reliably assess the damaged survivability of such vessels. Furthermore, theoretical models and numerical codes can benefit of its achievements to improve their performance and credibility.