Fishing effort control regulations influence on stability, safety and operability of small fishing vessels: study of a series of stability related accidents occurred in Spain between 2004 and 2007

Entre los años 2004 y 2007 se hundieron por problemas de estabilidad cinco pesqueros españoles de pequeña eslora, de características parecidas, de relativamente poca edad, que habían sido construidos en un intervalo de pocos años. La mayoría de los tripulantes de esos pesqueros fallecieron o desaparecieron en esos accidentes. Este conjunto de accidentes tuvo bastante repercusión social y mediática. Entre ingenieros navales y marinos del sector de la pesca se relacionó estos accidentes con los condicionantes a los diseños de los pesqueros impuestos por la normativa de control de esfuerzo pesquero. Los accidentes fueron investigados y publicados sus correspondientes informes; en ellos no se exploró esta supuesta relación. Esta tesis pretende investigar la relación entre esos accidentes y los cambios de la normativa de esfuerzo pesquero. En la introducción se expone la normativa de control de esfuerzo pesquero analizada, se presentan datos sobre la estructura de la flota pesquera en España y su accidentalidad, y se detallan los criterios de estabilidad manejados durante el trabajo, explicando su relación con la seguridad de los pesqueros. Seguidamente se realiza un análisis estadístico de la siniestralidad en el sector de la pesca para establecer si el conjunto de accidentes estudiados supone una anomalía, o si por el contrario el conjunto de estos accidentes no es relevante desde el punto de vista estadístico. Se analiza la siniestralidad a partir de diversas bases de datos de buques pesqueros en España y se concluye que el conjunto de accidentes estudiados supone una anomalía estadística, ya que la probabilidad de ocurrencia de los cinco sucesos es muy baja considerando la frecuencia estimada de pérdidas de buques por estabilidad en el subsector de la flota pesquera en el que se encuadran los cinco buques perdidos. A continuación el trabajo se centra en la comparación de los buques accidentados con los buques pesqueros dados de baja para construir aquellos, según exige la normativa de control de esfuerzo pesquero; a estos últimos buques nos referiremos como “predecesores” de los buques accidentados. Se comparan las dimensiones principales de cada buque y de su predecesor, resultando que los buques accidentados comparten características de diseño comunes que son sensiblemente diferentes en los buques predecesores, y enlazando dichas características de diseño con los requisitos de la nueva normativa de control del esfuerzo pesquero bajo la que se construyeron estos barcos. Ello permite establecer una relación entre los accidentes y el mencionado cambio normativo. A continuación se compara el margen con que se cumplían los criterios reglamentarios de estabilidad entre los buques accidentados y los predecesores, encontrándose que en cuatro de los cinco casos los predecesores cumplían los criterios de estabilidad con mayor holgura que los buques accidentados. Los resultados obtenidos en este punto permiten establecer una relación entre el cambio de normativa de esfuerzo pesquero y la estabilidad de los buques. Los cinco buques accidentados cumplían con los criterios reglamentarios de estabilidad en vigor, lo que cuestiona la relación entre esos criterios y la seguridad. Por ello se extiende la comparativa entre pesqueros a dos nuevos campos relacionados con la estabilidad y la seguridad delos buques: • Movimientos a bordo (operatividad del buque), y • Criterios de estabilidad en condiciones meteorológicas adversas El estudio de la operatividad muestra que los buques accidentados tenían, en general, una mayor operatividad que sus predecesores, contrariamente a lo que sucedía con el cumplimiento de los criterios reglamentarios de estabilidad. Por último, se comprueba el desempeño de los diez buques en dos criterios específicos de estabilidad en caso de mal tiempo: el criterio IMO de viento y balance intenso, y un criterio de estabilidad de nueva generación, incluyendo la contribución original del autor de considerar agua en cubierta. Las tendencias observadas en estas dos comparativas son opuestas, lo que permite cuestionar la validez del último criterio sin un control exhaustivo de los parámetros de su formulación, poniendo de manifiesto la necesidad de más investigaciones sobre ese criterio antes de su adopción para uso regulatorio. El conjunto de estos resultados permite obtener una serie de conclusiones en la comparativa entre ambos conjuntos de buques pesqueros. Si bien los resultados de este trabajo no muestran que la aprobación de la nueva normativa de esfuerzo pesquero haya significado una merma general de seguridad en sectores enteros de la flota pesquera, sí se concluye que permitió que algunos diseños de buques pesqueros, posiblemente en busca de la mayor eficiencia compatible con dicha normativa, quedaran con una estabilidad precaria, poniendo de manifiesto que la relación entre seguridad y criterios de estabilidad no es unívoca, y la necesidad de que éstos evolucionen y se adapten a los nuevos diseños de buques pesqueros para continuar garantizando su seguridad. También se concluye que la estabilidad es un aspecto transversal del diseño de los buques, por lo que cualquier reforma normativa que afecte al diseño de los pesqueros o su forma de operar debería estar sujeta a evaluación por parte de las autoridades responsables de la seguridad marítima con carácter previo a su aprobación. ABSTRACT Between 2004 and 2007 five small Spanish fishing vessels sank in stability related accidents. These vessels had similar characteristics, had relatively short age, and had been built in a period of a few years. Most crewmembers of these five vessels died or disappeared in those accidents. This set of accidents had significant social and media impact. Among naval architects and seamen of the fishing sector these accidents were related to the design constraints imposed by the fishing control effort regulations. The accidents were investigated and the official reports issued; this alleged relationship was not explored. This thesis aims to investigate the relationship between those accidents and changes in fishing effort control regulations. In the introduction, the fishing effort control regulation is exposed, data of the Spanish fishing fleet structure and its accident rates are presented, and stability criteria dealt with in this work are explained, detailing its relationship with fishing vessel safety. A statistical analysis of the accident rates in the fishing sector in Spain is performed afterwards. The objective is determining whether the set of accidents studied constitute an anomaly or, on the contrary, they are not statistically relevant. Fishing vessels accident rates is analyzed from several fishing vessel databases in Spain. It is concluded that the set of studied accidents is statistically relevant, as the probability of occurrence of the five happenings is extremely low, considering the loss rates in the subsector of the Spanish fishing fleet where the studied vessels are fitted within. From this point the thesis focuses in comparing the vessels lost and the vessels that were decommissioned to build them as required by the fishing effort control regulation; these vessels will be referred to as “predecessors” of the sunk vessels. The main dimensions between each lost vessel and her predecessor are compared, leading to the conclusion that the lost vessels share design characteristics which are sensibly different from the predecessors, and linking these design characteristics with the requirements imposed by the new fishing control effort regulations. This allows establishing a relationship between the accidents and this regulation change. Then the margin in fulfilling the regulatory stability criteria among the vessels is compared, resulting, in four of the five cases, that predecessors meet the stability criteria with greater clearance than the sunk vessels. The results obtained at this point would establish a relationship between the change of fishing effort control regulation and the stability of vessels. The five lost vessels complied with the stability criteria in force, so the relation between these criteria and safety is put in question. Consequently, the comparison among vessels is extended to other fields related to safety and stability: • Motions onboard (operability), and • Specific stability criteria in rough weather The operability study shows that the lost vessels had in general greater operability than their predecessors, just the opposite as when comparing stability criteria. Finally, performance under specific rough weather stability criteria is checked. The criteria studied are the IMO Weather Criterion, and one of the 2nd generation stability criteria under development by IMO considering in this last case the presence of water on deck, which is an original contribution by the author. The observed trends in these two cases are opposite, allowing to put into question the last criterion validity without an exhaustive control of its formulation parameters; indicating that further research might be necessary before using it for regulatory purposes. The analysis of this set of results leads to some conclusions when comparing both groups of fishing vessels. While the results obtained are not conclusive in the sense that the entry into force of a new fishing effort control in 1998 caused a generalized safety reduction in whole sectors of the Spanish fishing fleet, it can be concluded that it opened the door for some vessel designs resulting with precarious stability. This evidences that the relation between safety and stability criteria is not univocal, so stability criteria needs to evolve for adapting to new fishing vessels designs so their safety is still guaranteed. It is also concluded that stability is a transversal aspect to ship design and operability, implying that any legislative reform affecting ship design or operating modes should be subjected to assessing by the authorities responsible for marine safety before being adopted.

Global Stability Analysis of Turbulent Transonic Flows on Airfoil geometries

La aparición de inestabilidades en un flujo es un problema importante que puede afectar a algunas aplicaciones aerodinámicas. De hecho existen diferentes tipos de fenómenos no-estacionarios que actualmente son tema de investigación; casos como la separación a altos ángulos de ataque o el buffet transónico son dos ejemplos de cierta relevancia. El análisis de estabilidad global permite identificar la aparición de dichas condiciones inestables, proporcionando información importante sobre la región donde la inestabilidad es dominante y sobre la frecuencia del fenómeno inestable. La metodología empleada es capaz de calcular un flujo base promediado mediante una discretización con volúmenes finitos y posteriormente la solución de un problema de autovalores asociado a la linealización que aparece al perturbar el flujo base. El cálculo numérico se puede dividir en tres pasos: primero se calcula una solución estacionaria para las ecuaciones RANS, luego se extrae la matriz del Jacobiano que representa el problema linealizado y finalmente se deriva y se resuelve el problema de autovalores generalizado mediante el método iterativo de Arnoldi. Como primer caso de validación, la técnica descrita ha sido aplicada a un cilindro circular en condiciones laminares para detectar el principio de las oscilaciones de los vórtices de von Karman, y se han comparado los resultados con experimentos y cálculos anteriores. La parte más importante del estudio se centra en el análisis de flujos compresibles en régimen turbulento. La predicción de la aparición y la progresión de flujo separado a altos ángulos de ataque se han estudiado en el perfil NACA0012 en condiciones tanto subsónicas como supersónicas y en una sección del ala del A310 en condiciones de despegue. Para todas las geometrías analizadas, se ha podido observar que la separación gradual genera la aparición de un modo inestable específico para altos ángulos de ataque siempre mayores que el ángulo asociado al máximo coeficiente de sustentación. Además, se ha estudiado el problema adjunto para obtener información sobre la zona donde una fuerza externa provoca el máximo cambio en el campo fluido. El estudio se ha completado calculando el mapa de sensibilidad estructural y localizando el centro de la inestabilidad. En el presente trabajo de tesis se ha analizado otro importante fenómeno: el buffet transónico. En condiciones transónicas, la interacción entre la onda de choque y la capa límite genera una oscilación de la posición de la onda de choque y, por consiguiente, de las fuerzas aerodinámicas. El conocimiento de las condiciones críticas y su origen puede ayudar a evitar la oscilación causada por estas fuerzas. Las condiciones para las cuales comienza la inestabilidad han sido calculadas y comparadas con trabajos anteriores. Por otra parte, los resultados del correspondiente problema adjunto y el mapa de sensibilidad se han obtenido por primera vez para el buffet, indicando la región del dominio que sera necesario modificar para crear el mayor cambio en las propiedades del campo fluido. Dado el gran consumo de memoria requerido para los casos 3D, se ha realizado un estudio sobre la reducción del domino con la finalidad de reducirlo a la región donde está localizada la inestabilidad. La eficacia de dicha reducción de dominio ha sido evaluada investigando el cambio en la dimensión de la matriz del Jacobiano, no resultando muy eficiente en términos del consumo de memoria. Dado que el buffet es un problema en general tridimensional, el análisis TriGlobal de una geometría 3D podría considerarse el auténtico reto futuro. Como aproximación al problema, un primer estudio se ha realizado empleando una geometría tridimensional extruida del NACA00f2. El cálculo del flujo 3D y, por primera vez en casos tridimensionales compresibles y turbulentos, el análisis de estabilidad TriGlobal, se han llevado a cabo. La comparación de los resultados obtenidos con los resultados del anterior modelo 2D, ha permitido, primero, verificar la exactitud del cálculo 2D realizado anteriormente y también ha proporcionado una estimación del consumo de memoria requerido para el caso 3D. ABSTRACT Flow unsteadiness is an important problem in aerodynamic applications. In fact, there are several types of unsteady phenomena that are still at the cutting edge of research in the field; separation at high angles of attack and transonic buffet are two important examples. Global Stability Analysis can identify the unstable onset conditions, providing important information about the instability location in the domain and the frequency of the unstable phenomenon. The methodology computes a base flow averaged state based on a finite volume discretization and a solution for a generalized eigenvalue problem corresponding to the perturbed linearized equations. The numerical computation is then performed in three steps: first, a steady solution for the RANS equation is computed; second, the Jacobian matrix that represents the linearized problem is obtained; and finally, the generalized eigenvalue problem is derived and solved with an Arnoldi iterative method. As a first validation test, the technique has been applied on a laminar circular cylinder in order to detect the von Karman vortex shedding onset, comparing the results with experiments and with previous calculations. The main part of the study focusses on turbulent and compressible cases. The prediction of the origin and progression of separated flows at high angles of attack has been studied on the NACA0012 airfoil at subsonic and transonic conditions and for the A310 airfoil in take-off configuration. For all the analyzed geometries, it has been found that gradual separation generates the appearance of one specific unstable mode for angles of attack always greater than the ones related to the maximum lift coefficient. In addition, the adjoint problem has been studied to suggest the location of an external force that results in the largest change to the flow field. From the direct and the adjoint analysis the structural sensitivity map has been computed and the core of the instability has been located. The other important phenomenon analyzed in this work is the transonic buffet. In transonic conditions, the interaction between the shock wave and the boundary layer leads to an oscillation of the shock location and, consequently, of the aerodynamic forces. Knowing the critical operational conditions and its origin can be helpful in preventing such fluctuating forces. The instability onset has then been computed and compared with the literature. Moreover, results of the corresponding adjoint problem and a sensitivity map have been provided for the first time for the buffet problem, indicating the region that must be modified to create the biggest change in flow field properties. Because of the large memory consumption required when a 3D case is approached, a domain reduction study has been carried out with the aim of limiting the domain size to the region where the instability is located. The effectiveness of the domain reduction has been evaluated by investigating the change in the Jacobian matrix size, not being very efficient in terms of memory consumption. Since buffet is a three-dimensional problem, TriGlobal stability analysis can be seen as a future challenge. To approximate the problem, a first study has been carried out on an extruded three-dimensional geometry of the NACA0012 airfoil. The 3D flow computation and the TriGlobal stability analysis have been performed for the first time on a compressible and turbulent 3D case. The results have been compared with a 2D model, confirming that the buffet onset evaluated in the 2D case is well detected. Moreover, the computation has given an indication about the memory consumption for a 3D case.