Numerical study on roll damping, relevant for FPSO platforms

Abstract

Et fartøys bevegelser beskrives med seks frihetsgrader. Fem av disse kan estimeres ganske bra ved bruk av lineær potensialteori. Rulling kan imidlertid ikke forutsis nøyaktig ved bruk av potensialteori, da denne bevegelsen er sterkt knyttet til ikke-lineære fenomen.

Det har blitt gjennomført et case-studie ved bruk av et numerisk verktøy, OpenFOAM, som er åpen kildekode distribuert på Linux operativsystem. Det har blitt brukt mye tid på å sette seg inn i, og lære programmet å kjenne da det kan være ganske komplisert.

Basert på tilgjengelig litteratur og tidligere eksperimenter, har et valideringsstudie blitt utført. Dette er gjort for å sikre at CFD-programvaren er egnet for den gitte problemstillingen, og unngå villedende resultater i hoveddelen av studiet. Under prosjektoppgaven ble det nemlig oppdaget svært sprikende resultater mellom eksperimentelle resultater, og de som ble estimert fra det numeriske verktøyet. Grunnet lav dempningsgrad, er rulledempningen en meget sensitiv faktor, der små forskjeller kan utgjøre store forskjeller.

Rulledempning er estimert for en 2D seksjon av en FPSO plattform, med og uten slingrekjøler. Det er totalt fire forskjellige konfigurasjoner, der tre av disse er forskjellige bredder på slingrekjølene. Resultatene viser en lineær sammenheng mellom bredde på slingrekjølene og dempningskoeffisienten. I noen tilfeller er økningen i dempning på 400% når man sammenlikner en seksjon uten slingrekjøler mot en med.

Tvungen rullbevegelse med konstant amplitude og fri-rulle simuleringer er gjennomført, og sammenliknet mot hverandre. Det ble oppdaget at dersom man finner en gjennomsnittlig rull-amplitude for frirulleprøven, vil korrespondere ganske nøyaktig til resultatene fra en tvungen rullbevegelse med tilsvarende rull-amplitude. På bakgrunn av dette er også en tvungen rullbevegelse å foretrekke da rull-amplituden hele tiden er konstant.

Hva gjelder Keulegan-Carpenter (KC) tall, som er en funksjon av rull-amplituden for en gitt 2D seksjon, viser det seg at det er en stor korrelasjon mellom KC tall og dempningskoeffisienten. Dette bekrefter at dempningen i rull er forbundet med ikke-lineære fenomen da dempningsleddet som avhenger av KC tallet er av andre ordens grad.

Ship motions are described by six degrees of freedom. Five of these can be estimated fairly well by use of linear potential theory. Rolling however, cannot be predicted accurately by use of this, as it is connected to non-linearities.

The case study performed during this work has been conducted with the open source computational fluid dynamics (CFD) toolbox OpenFOAM. A lot of time has been used in the preparatory work, as OpenFOAM can be tricky to use, and it demands quite some time to understand the program.

Based on the available literature and experiments done, a validation study has been performed. This is done to ensure that the CFD software is suitable for the current work, as it was discovered in the project thesis that particularly roll damping was not estimated well. Due to the low damping ratio, estimation of roll damping are sensitive to numerical properties and discretization techniques, which should be carefully considered.

Roll damping has then been estimated for a 2D section of a floating, production, storage and offloading (FPSO) platform. Four different configurations in terms of bilge keels has been investigated, where the effect of the bilge keel width on the damping coefficient showed a linear relation. The difference with and without bilge keels is significant, with up to 400% increase in the damping when equipped with larger than usual bilge keels.

Forced roll simulations and free decay tests have been performed, and compared against each other. It was found that comparison of these two methods are possible if one consider the mean roll angle during the first roll cycles for the free decay test. Due to this, forced roll motions are to prefer as the amplitude is held constant.

In terms of Keulegan-Carpenter (KC) number, which is a function of the roll amplitude for one specific cross section, the damping showed to have a strong dependence on this. This confirms that the damping phenomena is strongly connected with non linear terms, as the KC dependence is connected to the quadratic damping term.