A study of the longitudinal open-water performance of an ice-class ship.
Date
2024-02
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The hull and propeller of vessels engaged in operations in open water and ice are exposed to the encumbering effects of marine biofouling and the abrasive scouring of ice, both affecting ship resistance and performance. This thesis investigates the long term performance implications of such an operational profile, characterised by extensive open-water operations interspersed with ice navigation through a longitudinal study of the open-water performance of the Polar Supply and Research Vessel, the SA Agulhas II, with a specific focus on the hull and propeller condition. This study is enabled by a repository of measurement data and complementary information on the SA Agulhas II, spanning an equivalent period of ten years, the outcome of an extensive full-scale measurement campaign initiated in 2012. Key voyages within this period are selected for which the open-water performance is determined before, after, and intermittently during ice navigation. A tailored ship performance analysis method is formulated for the SA Agulhas II, utilising the available data to quantify the performance impact arising from the condition of the hull and propeller. Within the analysis method, three constituent elements are developed. First, a performance correction method, to differentiate between the effects of the degraded hull and propeller from those of environmental and operational disturbances, achieved through a constructed deterministic ship performance model. Second, a performance quantification method, to evaluate the performance losses, and third, a data conditioning method, to compile and filter the dataset to reduce uncertainty in the results. The efficacy of the formulated analysis method to exhibit the performance losses due to hull and propeller degradation is assessed through the review of four qualitative and quantitative measures, including an uncertainty analysis. The performance analysis reveals a cyclic pattern in the ship’s hull and propeller conditions, marked by progressive deterioration and subsequent near-baseline performance for the pre- and post-ice periods with each voyage. This cyclicality is attributed to the resurgence of biofouling growth between voyages, subsequently removed by ice scouring during ice navigation. Protracted docking periods in a temperate port contribute to biofouling growth, further exacerbated by anti-fouling coating degradation due to ice-scouring. Consequently, pre-ice operational penalties manifest, resulting in speed losses of up to 19% or power increases of 121%, driven by complete anti-fouling coating loss. Ecologically, the open-water performance results, recorded during operation in intermittent open-water passages after initial ice contact, indicate a gradual and near complete removal of the nonnative biofouling within a 200 km stretch into the marginal ice zone.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die romp en skroef van vaartuie wat in oop water en ys operasies betrokke is, is blootgestel aan die nadelige effekte van mariene groeisels en die beskadigende skuurwerking van ys, wat albei die skeepsweerstand en -werkverrigting beïnvloed. Hierdie tesis ondersoek die langtermyn werksverrigtingsimplikasies van so ’n operasionele profiel, gekenmerk deur uitgebreide oopwateraktiwiteite afgewissel deur ys-navigasie. Hierdie ondersoek behels ’n studie van die oopwaterverrigting van die Poolse Hervoorsieningsen Navorsingsvaartuig, die SA Agulhas II, met ’n spesifieke fokus op die toestand van die romp en skroef. Hierdie studie is moontlik gemaak deur ’n ryk bron van metingsdata en aanvullende inligting oor die SA Agulhas II, wat strek oor ’n tydperk van tien jaar en voortspruit uit ’n omvangryke volskaalse meetveldtog wat in 2012 begin het. Spesifieke vaarte binne hierdie tydperk is gekies waarvoor die oopwaterwerkverrigting voor, na, en tydens ys-navigasie deurlopend bepaal is. ’n Gespesifiseerde skeepswerkverrigting-analise metode is geformuleer vir die SA Agulhas II, waarin die beskikbare data benut word om die werkverrigtingsimpak as gevolg van die toestand van die romp en propeller te kwantifiseer. Binne hierdie analise-metode word drie samestellende elemente ontwikkel. Eerstens, ’n werkverrigting-korreksie metode, om te onderskei tussen die effekte van die gedegradeerde romp en propeller en dié van omgewings- en operasionele versteurings, deur middel van ’n gekonstrueerde deterministiese skeepswerkverrigtingsmodel. Tweedens, ’n werkverrigting-kwantifikasie metode, om die werkverrigtingsverliese te bereken, en derdens, ’n data-kondisioneringsmetode, om die data saam te stel en te filtreer ten einde onsekerheid in die resultate te verminder. Die doeltreffendheid van hierdie geformuleerde analise-metode om die werkverrigtingsverliese as gevolg van romp en propeller-degradering te toon, is geassesseer deur die oorsig van vier kwalitatiewe en kwantitatiewe maatstawwe, insluitende ’n onsekerheidsanalise. Die resultate van die werkverrigting-analise onthul ’n sikliese patroon in die vaartuig se romp- en propellertoestande wat gekenmerk word deur progressiewe agteruitgang en daaropvolgende naby-basislyn werkverrigting, onderskeidelik vir die tydperke vóór en ná ys-navigasie met elke vaart. Hierdie sikliese patroon word toegeskryf aan die herlewing van groeisels tussen vaarte, wat daarna verwyder word deur ys-skuring gedurende ys-navigasie. Verlengde doktye in ’n gematigde hawe dra by tot die groei van groeisels wat verder vererger word deur die agteruitgang van die anti-bevuiling deklaag as gevolg van ys-skuring. Gevolglik lei hierdie verslegting van die skeepskondisie tot operasionele ondergang, met spoedverliese van tot 19%, of kragverhogings van 121%. Vanuit ’n ekologiese oogpunt, die werkverrigtingsresultate, opgeneem in intermitterende oopwaterleidings na eerste kontak met ys, dui ’n geleidelike en skynbaar volledige verwydering van die uitheemse groeisels aan binne ’n afstand van 200 km in die marginale yssone.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die romp en skroef van vaartuie wat in oop water en ys operasies betrokke is, is blootgestel aan die nadelige effekte van mariene groeisels en die beskadigende skuurwerking van ys, wat albei die skeepsweerstand en -werkverrigting beïnvloed. Hierdie tesis ondersoek die langtermyn werksverrigtingsimplikasies van so ’n operasionele profiel, gekenmerk deur uitgebreide oopwateraktiwiteite afgewissel deur ys-navigasie. Hierdie ondersoek behels ’n studie van die oopwaterverrigting van die Poolse Hervoorsieningsen Navorsingsvaartuig, die SA Agulhas II, met ’n spesifieke fokus op die toestand van die romp en skroef. Hierdie studie is moontlik gemaak deur ’n ryk bron van metingsdata en aanvullende inligting oor die SA Agulhas II, wat strek oor ’n tydperk van tien jaar en voortspruit uit ’n omvangryke volskaalse meetveldtog wat in 2012 begin het. Spesifieke vaarte binne hierdie tydperk is gekies waarvoor die oopwaterwerkverrigting voor, na, en tydens ys-navigasie deurlopend bepaal is. ’n Gespesifiseerde skeepswerkverrigting-analise metode is geformuleer vir die SA Agulhas II, waarin die beskikbare data benut word om die werkverrigtingsimpak as gevolg van die toestand van die romp en propeller te kwantifiseer. Binne hierdie analise-metode word drie samestellende elemente ontwikkel. Eerstens, ’n werkverrigting-korreksie metode, om te onderskei tussen die effekte van die gedegradeerde romp en propeller en dié van omgewings- en operasionele versteurings, deur middel van ’n gekonstrueerde deterministiese skeepswerkverrigtingsmodel. Tweedens, ’n werkverrigting-kwantifikasie metode, om die werkverrigtingsverliese te bereken, en derdens, ’n data-kondisioneringsmetode, om die data saam te stel en te filtreer ten einde onsekerheid in die resultate te verminder. Die doeltreffendheid van hierdie geformuleerde analise-metode om die werkverrigtingsverliese as gevolg van romp en propeller-degradering te toon, is geassesseer deur die oorsig van vier kwalitatiewe en kwantitatiewe maatstawwe, insluitende ’n onsekerheidsanalise. Die resultate van die werkverrigting-analise onthul ’n sikliese patroon in die vaartuig se romp- en propellertoestande wat gekenmerk word deur progressiewe agteruitgang en daaropvolgende naby-basislyn werkverrigting, onderskeidelik vir die tydperke vóór en ná ys-navigasie met elke vaart. Hierdie sikliese patroon word toegeskryf aan die herlewing van groeisels tussen vaarte, wat daarna verwyder word deur ys-skuring gedurende ys-navigasie. Verlengde doktye in ’n gematigde hawe dra by tot die groei van groeisels wat verder vererger word deur die agteruitgang van die anti-bevuiling deklaag as gevolg van ys-skuring. Gevolglik lei hierdie verslegting van die skeepskondisie tot operasionele ondergang, met spoedverliese van tot 19%, of kragverhogings van 121%. Vanuit ’n ekologiese oogpunt, die werkverrigtingsresultate, opgeneem in intermitterende oopwaterleidings na eerste kontak met ys, dui ’n geleidelike en skynbaar volledige verwydering van die uitheemse groeisels aan binne ’n afstand van 200 km in die marginale yssone.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2024.