Experimental and Numerical Study of Non-Linear Motions of Ocean Farm 2 at Inspection Draught

Abstract

Den raskt voksende befolkningen og utfordringene knyttet til klimaendringer krever en betydelig økt matproduksjon, som må være bærekraftig. Fiskeoppdrett er en ekspanderende næring som kan bidra til å løse disse utfordringene. Dagens standard for oppdrettsanlegg i Norge kan håndtere en relativt lav sjøtilstand, noe som begrenser aktuelle plasseringer til inne i fjorder. Derfor, for å muliggjøre ytterligere vekst må fiskemerdene kunne håndtere tøffere værforhold og flytte til mer utsatte lokasjoner. Ocean Farm 2 er designet for utsatte områder, og dens bevegelser ved inspeksjonsdypgang er tema for denne oppgaven.

Fribordet ved inspeksjonsdypgang er bare 30 cm, hvilket mest sannsynlig gjør at bølger vil overtoppe pontongen og den vil neddykkes ofte. Disse sterkt ikke-lineære effektene og deres implikasjoner på den globale bevegelsen til strukturen er studert nærmere. Metoden for å estimere de ikke-lineære bevegelsene involverer en tre-trinns prosess. Først er de de lineære bevegelsene estimert med WAMIT. Videre er bølge-overtopping og neddykking av pontongene for et 2D-tverrsnitt av bunnpontongen studert. Til slutt er den lineære løsningen kombinert med ikke-lineære korreksjonsfaktorer i en tidsdomene-simulator.

Den potensielle strømningsløseren WAMIT ble brukt for å beregne de lineære bevegelsene. En panel modell av den våte delen av strukturen ble laget for dette formålet. Jag, hiv og stamp bevegelser ble funnet, i tillegg til tilleggs-masse, demping, stivhet og eksitasjonskoeffisienter. Trykkene på hvert panel fra diffraksjon og radiasjon ble også funnet, og ble brukt i tidsdomene-simulatoren for å lokalt korrigere for bølge-overtopping og vann på pontongdekket.

Forsøk ble utført på en Froude-skalert modell med likt tverrsnitt som bunnpontongen til Ocean Farm 2. Forsøkene besto av den fastholdte modellen i innkommende regulære bølger for å studere eksitasjonskreftene og tvunget hiv for å finne tilleggs-masse og demping. Testene ble utført med og uten en avtagbar toppforlengelse, som hindret bølgeovertopping og vann på pontongdekket. Resultatene ble sammenlignet for å etablere ikke-lineære de korreksjonsfaktorene, som ble brukt senere i tidsdomene-simulatoren.

Innkommende regulære bølger ble også simulert ved bruk av CFD-programvaren OpenFOAM. Konvergensstudie av domenets dekomponering og tidssteg viste at simulering av bølger med liten amplitude var mest krevende. Resultatene stemte godt overens med eksperimentene, spesielt for økende bølge perioder.

Videre ble det etablert en tidsdomene-simulator for å kombinere de lineære resultatene fra WAMIT med de ikke-lineære korreksjonsfaktorene funnet i eksperimentene og CFD-simuleringene. Simulatoren korrigerte diffraksjons og radiasjonstrykket avhengig av bølgeovertoppingen og dekkoversvømmelse ved plasseringen av hvert panel. Den gjenopprettende stivheten var også justeres avhengig av vannplanområdet, som reduseres betydelig når strukturen lavere enn fribordet.

Resultatene viser at bølgeovertopping forårsaker en reduksjon i eksitasjonskreftene, mens vann på pontongdekket resulterer generelt i økt tilleggs-masse og demping. Resultatet av disse ikke-lineære effektene er en betydelig reduksjon i bevegelsesamplituden og størrelsen avhenger blant annet av bølgesteilheten. Den økte tilleggs-massen førte til at resonansperioden endret seg litt mot høyere bølgeperioder.

The rapidly growing population and challenges regarding climate change require a significant increase in sustainable food production. Ocean fish farming is an expanding industry which can help mitigate these challenges. Today's industry-standard fish farms in Norway can handle a relatively low sea-state, limiting possible locations to inside fjords. Therefore, to enable further expansion, the farms must be able to handle harsher weather conditions and move to a more exposed location. The Ocean Farm 2 is designed for exposed locations, and its motions at inspection draught are the topic of this thesis.

The freeboard at inspection draught is only 30 cm, which likely makes wave overtopping and pontoon deck flooding occur frequently. These strongly non-linear effects and their implications on the global motion of the structure are studied in this thesis.

The solution strategy to estimate the non-linear motions involves a three-step process. First, estimate the linear motions with WAMIT. Secondly, study wave overtopping and pontoon deck flooding for a 2D cross-section of the bottom pontoon. Lastly, combine the linear solution with non-linear correction factors in a time-domain simulator.

The potential flow solver WAMIT was used for calculating the linear motions. A panel model of the submerged part of the structure was made for this purpose. Surge, heave and pitch motions were found, in addition to added mass, damping, restoring and excitation coefficients. The pressures at each panel from diffraction and radiation were also obtained, which were used in the time-domain simulator to locally correct for wave overtopping and deck flooding.

Experiments were performed on a Froude scaled model with an equal cross-section as the bottom pontoon of Ocean Farm 2. The experiment consists of the fixed model in incident regular waves for studying the excitation forces and forced heave to find added mass and damping. The tests were performed with and without a removable top extension, prohibiting wave overtopping and pontoon deck flooding. The results were compared to establish non-linear correction factors, used later by the time-domain simulator.

Incident waves were also simulated by use of the CFD software OpenFOAM. The mesh and time-step convergence study showed that simulation of small-amplitude waves was the most demanding. The results coincided well with the experiments, especially for increasing wave periods.

Furthermore, a time-domain simulator was established to combine the linear results from WAMIT with the non-linear correction factors found in the experiments and CFD simulations. The simulator corrected the diffraction and radiation pressure depending on the level of wave overtopping and deck flooding at the location of each panel. The restoring stiffness was also adjusted depending on the water plane area, which is significantly reduced when the structure is submerged below the freeboard.

The findings show that wave overtopping cause a reduction in the excitation forces, while pontoon deck flooding results generally in increased added mass and damping. The result of these non-linear effects is a significant reduction in the motion amplitude, and the magnitude depends on the wave steepness. The increased added mass caused the resonance period to shift slightly towards higher wave periods.