Ship propeller induced scour of non-cohesive sediment in low bed-clearance conditions

Abstract

Ships maneuvering in low bed clearance conditions induce sediment scour due to the high speed jet generated by a rotating propeller. Sediment scour is known to cause instability to quay structures, damage to the bed protection and may create huge accretion areas reaching extremely low depths, preventing the free passage of large ships. This on-going problem is linked to the constant increase in commercial ship sizes and is widely recognized in current harbor management guidelines.

This thesis presents in the first place the experimental work carried out to study the effects of two common propeller systems over the sediment bed: single and twin propellers. Next, the analysis of a case study is used to evaluate the impact of ship maneuvers over the seabed in a particular harbor basin.

The first part of the thesis presents a set of experiments in propeller jet velocity and bed shear stresses. By measurements performed in a point-by-point grid, with a Pitot-static tube coupled to differential pressure sensors, the axial velocity distribution at the so-called efflux plane is characterized. After that, direct measurements of bed shear stress are performed at several speeds of rotation and two bed-clearance distances with a shear plate. Velocity and bed shear stress measurements are related by an empirical friction coefficient, which is dependent on the bed clearance. A new empirical model is presented to estimate the mean shear stress in case of unconfined ship propeller jets in low bed clearance conditions.

The second part of this work shows the results of a new set of experiments in local scour due to confined twin propeller jets. The maximum scour depth is studied as a function of the bed clearance, the wall clearance and the efflux velocity of the jet. Aiming to reproduce more realistic maneuvers, scour due to forward and backward rotation of the propellers is analyzed, showing a different behavior compared to the traditional experiments with only forward rotation. The obtained results are compared to the existing formulae and later used to propose two different empirical models, one for each regime of rotation. A new non-dimensional parameter obtained from the Buckingham Pi analysis, proposed as Wall Froude number, is used to find a threshold triggering the scouring mechanism. The experimental results show that the distance to the vertical wall is the main contributor to the higher scour depths rather than the bed clearance.

The last part of the thesis presents a case study that is used to relate the maneuvers of the ship with the scour observed in an inner basin of the port. The study ship characteristics are obtained from the port statistics. The morphological evolution of the seabed is analyzed through hydrographic surveys of the last decade, which allows characterizing the erosion pattern. Through AIS data, the maneuver of the study ship is analyzed and used as an input maneuver in a simulator. The maneuver is reproduced to obtain the behavior of the main engines and bow thrusters. The maneuvering pattern and the behavior of the engines are used to assess the most damaging maneuvering sections, which turns out to be the ship's lateral approach to the berth, during the arrival maneuver, and the early stages of the departure maneuver.

Els vaixells que maniobren en condicions de calat reduït poden provocar erosió local del llit de sediments a causa del raig d'aigua d'alta velocitat generat per les hèlix. L'erosió causa inestabilitat en les estructures dels molls, danys a la protecció del llit i pot crear grans àrees d'acreció, posant en risc la seguretat en la navegació. Aquest fenòmen està relacionat en gran mesura amb l'augment de les dimensions dels vaixells comercials en les darreres dècades i és àmpliament reconegut en les guies actuals de gestió portuària. Aquesta tesi presenta, en primer lloc, el treball experimental realitzat per estudiar els efectes erosius provocats per dos dels sistemes de propulsió més comuns: hèlix convencional i sistema de doble hèlix. A continuació, s'utilitza l'anàlisi d'un cas pràctic per avaluar l'impacte de les maniobres dels vaixells sobre el fons marí en una dàrsena portuària concreta. A la primera part de la tesi es presenten i s'analitzen en un conjunt de mesures experimentals de velocitat del flux d'aigua a la sortida de l'hèlix i de tensions de tall sobre un llit horitzontal. La distribució de velocitats axials es caracteritza a partir de mesures puntuals preses amb un sistema de tub de Pitot-estàtic acoblat a sensors de pressió diferencial. Posteriorment es realitzen mesures directes de les tensions de tall al llit amb una placa de tensions (shear plate) a tres velocitats de rotació de l'hèlix i dues distàncies verticals sobre el llit. Les mesures de la velocitat i la tensió de tall es relacionen amb un coeficient de fricció empíric que és dependent de la distància al llit. A la segona part d'aquest treball es presenta un nou conjunt d'experiments en erosió local per sistemes de doble hèlix confinats. La profunditat màxima d'erosió s'estudia en funció de la distància al sòl, la distància a la paret i la velocitat de sortida del raig d'aigua. Amb l'objectiu de reproduir maniobres de vaixells en entorns portuaris, s'analitza l'erosió generada pels sistemes de doble hèlix en règim combinat, és a dir, avant i invertit. Els resultats mostren diferències respecte els experiments tradicionals en què només es considera la rotació avant. Per estimar l'evolució temporal de la màxima profunditat d'erosió es proposen dos models empírics, un per a cada règim de rotació. De l'anàlisi de Pi de Buckingham s'obté un nou paràmetre adimensional que, proposat com a nombre de Froude del mur, permet establir un llindar d'erosió. Els resultats experimentals també mostren que la distància al mur vertical està més relacionada amb les majors profunditats d'erosió que amb la distancia al sòl. La darrera part de la tesi presenta un cas d'estudi en què les maniobres del vaixell es relacionen amb els canvis en la morfologia portuària observada al llarg del temps. El vaixell d'estudi s'obté a partir de les estadístiques d'ús de les dàrsenes portuàries. L'evolució morfològica del fons marí s'analitza mitjançant estudis hidrogràfics de la darrera dècada, que permet caracteritzar el patró d'erosió. A través de dades AIS, s'analitza la maniobra del vaixell d'estudi i s'utilitza com a model de maniobra en un simulador. La maniobra es reprodueix al simulador, d'on se n'extreu el comportament dels motors principals i de les hèlix de maniobra. El patró de maniobra i el comportament dels motors s'utilitzen per avaluar les seccions de maniobra més perjudicials, que resulten ser l'aproximació lateral del vaixell al moll d'atrac, durant la maniobra d'arribada, i les primeres etapes de la maniobra de sortida.