Numerical investigation of a bottom-fixed wind turbine in severe environmental conditions
Master thesis
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2622979Utgivelsesdato
2019Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for marin teknikk [3397]
Sammendrag
Markedet for fornybar energi øker i takt med teknologiutvikling og interesse for å utviklevindenergimarkedet til havområder. Utfra denne motivasjonen er det av interesse å undersøkeen bunnfestet vindturbin i grunt vann og utforske relevansen av tre-dimensjonalitetog kort-kammede bølger. Undersøkelser og litteratur-studie av nåværende forsking blirgjennomført for å undersøke hva som er gjort i forbindelse med høyere ordens krefterpå slike strukturer. Basert på funnene av disse studiene gjøres en utgreiing om et relevantgeografisk sted som er et aktuelt sted å plassere vindturbinen. Valget faller på enlokasjon i Nordsjøen og miljøfaktorene på stedet blir dermed utforsket og inkludert i enCFD studie. Disse studiene er gjort ved bruk av programvaren OpenFOAM. En høyereordens bølgeteori blir brukt for å simulere bølgene på stedet. Cnoidal bølger er valgt for årepresentere disse på en god måte. Disse blir implementert inn i CFD oppsettet ved hjelpav ekstrapakken waves2FOAM. En mesh blir først opprettet i 2D for å gjennomføre enkonvergens-studie. Resultatene blir deretter sammenlignet med tidligere studier, og detkommer her frem at oppsettet gir samsvarende resultater med hva som er funnet tidligere.Modellen er dermed validert. Også bølgene valideres; dette ved å simulere 2D bølger iet tomt basseng og deretter sammenligne bølgeprofil med analytiske bølger regnet ut vedhjelp av bølgeteorien. Også her samsvarte resultatene godt og det konkluderes med atwaves2FOAM er et bra verktøy som kan brukes videre.Med mål om å studere 3D strømning og effekter blir det gjennomført komplette 3Dsimuleringer av vindturbin-fundamentet under harde værforhold. Flere 2D studier avsylinderen ved forskjellige bølgehevinger blir også gjennomført. Ved å integrere 2D resultateneved hjelp av «stripe-teori», finner man et estimert 3D resultat for kreftene somvirker på sylinderen. Disse integrerte resultatene kan dermed brukes for sammenligningmed 3D resultatene. Sammenligningen viser at de viskøse (drag) kreftene fra 3D simuleringenomtrent er fire ganger høyere enn de integrerte kreftene. Løft kreftene fra deintegrerte resultatene viser større variasjoner i tidsseriene og har dermed høyere topper.2D simuleringene viser uregelmessigheter i forhold til trykket som kan være grunnen tilavvikene i resultatene. Strømningsbildet rundt sylinderen viser at trykk-oppførselen i dissesimuleringene trenger å bli undersøkt grundigere. Strømningsbildet i 3D simuleringene ersom forventet og viser bølge oppløp rett bak sylinderen. Dette er et fenomen som sees vedbratte og lange bølger i grunt vann.Effekten av viskositet er undersøkt ved gjennomføring av en 3D-simulering med desamme bølgeparameterne som tidligere, men med omtrent null viskositet i væsken. Resultateneviser en minking i de viskøse kraft komponentene som er mindre enn 3%. Turbulentsimuleringene gir en klarere stabil tilstand i 2D og en minking i krefter på rundt50%. Dette kan også ha blitt påvirket av trykk-grensebetingelsene og løsnings-koden somer brukt. Turbulent simuleringen i 3D gir avvikende bølgeprofiler i forhold til de andre3D-simuleringene. Dette var ikke forventet og resulterer i lavere krefter som virker påsylinderen og ingen separasjon.