In dit onderzoek wordt een systematische analyse van de verschillende parameters uitgevoerd om de respons van bewegende objecten in realistische slibomgevingen te bestuderen. Als startpunt wordt een literatuuroverzicht met betrekking tot navigatie in slibomgevingen en de modellering ervan opgenomen. Vervolgens worden verschillende benaderingen onderzocht om rekening te houden met de invloed van de reologie van natuurlijk slib, met speciale aandacht voor experimenteel werk en theoretische modellen. Daarnaast worden ook  de interacties met interne golven aan de interface water-slib onderzocht. Ten slotte wordt de combinatie van al deze verschillende fenomenen geanalyseerd, om tot een solide achtergrond te komen van het gedrag van objecten in natuurlijke slibomgevingen. Deze uitgebreide review vormt de basis voor het begrijpen van de complexiteiten van de slibdynamica en de potentiële invloed ervan op de respons van bewegende objecten.  

Om het effect van natuurlijke slib op de hydrodynamische krachten die inwerken op drijvende lichamen te meten, werd een reeks sleepproeven uitgevoerd met twee verschillende geometrieën. Deze experimenten werden uitgevoerd in verschillende vloeistofcombinaties, waaronder zoet water, enkel natuurlijk slib en uiteindelijk een vloeistofsysteem bestaande uit een laag zeewater boven natuurlijk slib, om zo een natuurlijke slibomgeving na te bootsen. Zowel het zeewater als het natuurlijk slib die bij deze experimenten werden gebruikt, waren afkomstig van de haven van Antwerpen-Brugge (voorheen haven van Zeebrugge) in het havengebied van Zeebrugge in België.

Vanwege de inherente complicaties van sleepproeven met scheepsmodellen in natuurlijke slibrijke omgevingen, werd in dit werk een meer pragmatische aanpak gevolgd door twee vereenvoudigde geometrieën als gesleepte objecten te gebruiken. Om de reacties van het slib op de objecten onder verschillende stromingscondities te bestuderen, werden twee verschillende experimentele opstellingen ontworpen. In de eerste reeks sleepproeven werd een horizontale cilinder getest die een overwegende 2D-stroming zou genereren. Het snelheidsbereik werd op lage, op lengte gebaseerde, Froudegetallen gehouden om zo de vervorming van het vrij vloeistofoppervlak te minimaliseren zodat  de aanname van een 2D-stroming kan gelden. Voor de tweede experimentele campagne was het gesleepte object een hydrodynamisch profiel (scheepsroer) dat een 3D-stromingsveld genereerde. In dit geval was het geteste snelheidsbereik aanzienlijk hoger vergeleken met de eerste campagne. De verschillende hydrodynamische krachten die op het lichaam inwerken, werden geregistreerd met geavanceerde instrumenten in de experimentele faciliteiten van het Waterbouwkundig Laboratorium in Antwerpen, België.

Tijdens de experimenten werd in beide experimentele campagnes een significant verschillende reactie van de natuurlijke sliblaag op het object waargenomen. Bovendien had de aanwezigheid van het natuurlijk slib een aanzienlijke invloed op de hydrodynamische krachten die op de passerende lichamen inwerkten. Afhankelijk van verschillende kinematische - en omgevingscondities vertoonden de geregistreerde hydrodynamische krachten aanzienlijke toenames in vergelijking met de metingen in enkel zoet water. Een van de belangrijkste oorzaken  bleken de viscoplastische eigenschappen van het natuurlijk slib te zijn, hetgeen belangrijker was naarmate bewegende objecten dieper ondergedompeld waren in de sliblaag.

Bovendien werd in het geval van de horizontale cilinder bij een bepaalde sleepsnelheid een intern golfpatroon waargenomen met een gedrag vergelijkbaar met een (schijnbare) hydraulische sprong. Deze schijnbare hydraulische sprong had een aanzienlijke invloed op de geregistreerde krachten die op de cilinder inwerkten, maar had anderzijds geen significante invloed op het roerprofiel vanwege zijn geometrische slankheid en het toegepaste snelheidsbereik, dat de kritische snelheden ruim overschreed.

In de literatuur zijn slechts enkele studies beschikbaar die gebruikt kunnen worden als validatiemateriaal voor nautische toepassingen. De verschillende resultaten die in dit werk worden gepresenteerd, kunnen waardevolle validatiegegevens vormen voor de ontwikkeling van nieuwe numerieke modellen. Eveneens wordt een idee gegeven van welke reologische eigenschappen – en onder welke omstandigheden –  moeten worden meegenomen om de navigatie in natuurlijke slibomgevingen adequaat te beschrijven.

In maritieme toepassingen is het gebruik Computational Fluid Dynamics (CFD) gangbaar om vloeistofdynamica te modelleren. In slibomgevingen is het mogelijk om complexe reologische eigenschappen op te nemen, waarbij verondersteld wordt dat een natuurlijke sliblaag een continuüm is, wat een redelijke benadering van de werkelijkheid oplevert. In de literatuur hebben enkele CFD-onderzoeken met betrekking tot slibrijke omgevingen veelbelovende resultaten laten zien bij het repliceren van het gedrag van schepen onder deze omstandigheden. Gezien de intrinsieke uitdagingen die gepaard gaan met het modelleren van de reologische eigenschappen van natuurlijk slib, wordt het vloeistofgedrag vaak vereenvoudigd als een Newtoniaanse of een Bingham-vloeistof. Het is echter essentieel op te merken dat deze modellen geen rekening houden met het tijdsafhankelijke gedrag van slib onder versnellende of vertragende omstandigheden (thixotropie). Daarom zijn verdere validatie-inspanningen van cruciaal belang om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van CFD-modellen onder deze omstandigheden te beoordelen.

In dit werk werden CFD-simulaties uitgevoerd om de twee experimentele campagnes te repliceren. Numerieke berekeningen met behulp van beschikbare oplossingsmethoden en bibliotheken leverden voor elke geëvalueerde toestand verschillende niveaus van nauwkeurigheid op. Voor 3D-simulaties werden de totale krachten voor het hele snelheidsbereik redelijk goed gerepliceerd met behulp van de voorgestelde numerieke methode. Bij simulaties waarbij werd uitgegaan van een 2D-stroming was er echter een significante afwijking van de berekende krachten te zien in vergelijking met experimentele metingen. 

Het verschil tussen beide simulatiegevallen kan aan vele redenen worden toegeschreven. Een van de belangrijkste problemen is dat de in dit werk voorgestelde numerieke opzet de omstandigheden met sterke variaties in de interface tussen water en slib niet correct repliceert, wat te wijten is aan de manier waarop het natuurlijke slibmodel wordt beschreven. Veel verschijnselen, zoals menging, stratificatie en tijdsafhankelijke eigenschappen, zijn immers niet meegenomen in de modellering. Bovendien omvat het turbulentiemodel dat in dit werk wordt gebruikt geen correcties of aanvullende behandelingen voor niet-Newtoniaanse eigenschappen, die essentieel zouden kunnen zijn voor de juiste beschrijving van de interface tussen water en slib en bijgevolg van de hydrodynamische krachten die op drijvende objecten inwerken. In ieder geval is de voorgestelde numerieke opzet een eerste aanzet voor de verdere ontwikkeling van meer geavanceerde modelleringen van natuurlijk  slib voor nautische toepassingen.