Rapid Prototyping for Estimating Hydrodynamic Coefficients of Scaled Experiments on Subsea Structures during Lifting Operations

Abstract

Offshorenæringen må alltid strekke seg etter bedre teknologiske løsninger. Dynamiske krefter som påvirker maritime-operasjoner er delvis basert på erfaring på grunn av at estimeringen av komplekse geometrier kan være krevende og tidskonsumerende. Denne masteroppgaven presenterer og diskuterer utviklingen av en metode som brukes til estimeringen av hydrodynamiske koeffisienter for subsea konstruksjoner under, maritime-operasjoner som installasjon og vedlikehold. Estimeringen er utført med eksperimentelle metoder, utført ved bruk av 3D-printede geometrier i slepetanken ved NTNU Ålesund.

Et nytt og forbedret testoppsett er designet for å kunne utføre eksperimenter på 3D-printede subsea strukturer. Det nye oppsettet er designet og montert. Hvor det opprinnelige oppsettet kunne påføre en løftende kraft på et neddykket objekt, kan det nye påføre både en løftende og senkende kraft. Det har blitt utført to typer eksperimenter: tvunget oscillering og tvunget løft.

De første eksperimentene ble utført med enkle geometrier. Senere ble det forsøkt å fremstille ekte subsea strukturer ved å benytte den tilgjengelige teknologien ved NTNU Ålesund. Istedenfor å verifisere hvert enkelt eksperiment så er det heller forsøkt å verifisere metoden i seg selv. Enkle referanse geometrier er benyttet til å verifisere den eksperimentelle metoden. Dette har vært geometrier hvor teoretisk eller tidligere eksperimentell data er benyttet.

Testobjektene er nedskalert for å være tilpasset de fysiske begrensingene i slepetanken. Ettersom at eksperimentene er utført på nedskalerte modeller, er målingene oppskalert igjen. Skalaeffekter kan påvirke strømming og krefter som virker på en geometri. Derfor er kreftene sammenliknet for ulike skalerte objekter. Resultatet er videre benyttet for å evaluere hvordan demping og added mass er påvirket av skalaeffekter.

Resultatet er et sett av resultater med verdier for added mass og demping for ulike geometrier. Resultatene er videre brukt, i kombinasjon med referansedata, for å konkludere om metoden kan benyttes.

The offshore industry must always strive for better technological choices. Hydrodynamical forces affecting maritime operations are partly based on experience since the estimation of complex geometries can be challenging and time-consuming. This master thesis presents and discusses the development of a method used to estimate hydrodynamical coefficients of subsea structures during maritime operations, including installation and maintenance. The estimation is conducted by experimental methods performed on 3D printed geometries in the towing tank at NTNU Ålesund.

A new and improved experimental test setup was designed to conduct experiments on 3D printed subsea structures. The new setup has been designed and assembled. While the existing setup allowed for an upward force on a submerged object, the new setup may apply both an upward and downward force. There are two types of experiments conducted: forced oscillation experiments and forced lifting experiments.

Tests were first conducted using simple geometries. Later an attempt to produce real-life subsea structures was performed using the available 3D printer technology at NTNU Ålesund. Simple reference geometries are used to verify the method itself, rather than verifying each tested geometry. For verification, structures where either theoretical or previous experimental data could be acquired is used.

The test objects are scaled down to fit the physical limitations of the towing tank. As a result of conducting down-scaled experiments, the measured values ultimately had to be re-scaled to full-size for practical use. Scale effects of different geometries can affect the flow and forces acting on a structure. Therefore, the forces are compared to several different scaled objects. The results are then used to evaluate how the added mass and damping change with the scale of the object.

The final result is a set of values for added mass and damping for different geometries. These results are then used, in combination with the reference data, to conclude if the method is feasible.