Analysis of Vortex Induced Motions for Floating Wind Turbines

Abstract

Et økende fokus på globale oppvarming har vært den drivende kraften bak forsking på fornybar energi i flere år. Vindkraft er en viktig bidragsyter blant de fornybare energiprodusentene, og markedet for vindkraft er i stadig vekst. Den første offshore vindturbinparken med bunnfaste vindturbiner ble installert i 1991. I 2017 begynte den første flytende offshore vindparken, Hywind Scotland, å operere.

Flytende strukturer kan oppleve bevegelse på grunn av virvelavløsning og dette kan føre til store krefter og påvirke levetiden til forankringssystemet. Dette prosjektet omhandler en spar plattform og en delvis nedsenkbare plattformen som er designet for å være flytende understell for to vindturbiner som skal operere Vest for Barra, utenfor Skottland.

Strømningen i området er den viktigste miljøbetraktningen når bevegelse på grunn av virvelavløsning skal analyseres. DNV offshore standarder har blitt brukt til å regne ut en 50 års strømningsprofil og gjennomsnittsverdien er bruk som en øvre grense for strømningshastigheten. Dette gir en gjennomsnittlig maksimal strømningshastighet på 1.4 m/s for sparen og 2.07 m/s for den delvis nedsenkbare plattformen. Den naturlige egenperioden for sparen og den delvis nedsenkbare plattformen er 128.87 s og 104.17 s.

2D tverrsnittsareal for de to plattformene er studert ved bruk av computational fluid dynamic (CFD) and OpenFOAM er programvaren. Turbulent strømning i området 7.65e5 ≤ Re ≤ 1.58e7, med turbulent intensitet på 1% og turbulent lengde på 3% av diameteren er analysert. En gridkonvergensstudie for en fast sylinder var først gjennomført for et strukturerte grid som ble generert med blockMesh. Numeriske utfordringer førte til at det ble bestemt at et ustrukturert grid ville egne seg bedre spesielt når flere sylindere skal studeres. Det ustrukturerte gridet ble generert med snappyHexMesh for en sylinder før et grid for den delvis nedsenkbare plattformen ble generert. Sparen og den delvis nedsenkbare plattformen ble først studert som fastholdt og hydrodynamiske verdier som Cd, Cl and St ble analysert sammen med strømningskarakteristikken. Effekten av strømningsinteraksjon har også blitt studert for den delvis nedsenkbare plattformen og kanseleringseffekt har blitt observert for løft kreftene for de to sylindrene ved siden av hverandre. Den bakerste sylinderen opplever størst løft og drag krefter. En økning i drag er observert for økende Re for begge strukturer og dette kan være et resultat av implementasjonen av vegg funksjonene.

To dynamiske grid har blitt analysert for spar fundamentet. En fri bevegelses test og en tvungen bevegelses test har blitt utført for å kartlegge egenperioden og tilleggsmassen til systemet. To overlappende grids og et deformerende grid ble testet. Det deformerende gridet ga en egenperiode på 125 s og det overlappende gridet med ustrukturert grid ga egenperiode på 129.87 s. Disse to gridene er testet med innkommende strømningshastighet U=0.4 m/s som korresponderer til Ur ≈ 3.6 for begge gridene. Resonans ble observert i begge tilfeller da sylinderen svinger med en periode nær den naturlige perioden, men svingningsamplituden er rundt 0.7D og høyere enn forventet. Bevegelsene er for store for det deformerende gridet og de fleste simulieringene med inkommende srøming ble utført med det overlappende gridet. Den nedre lock-in regionen er blitt identifisert og forventede svingningsamplituder ble observert. Det er behov for mer forskning på den øvre lock-in regionen. To høye hastigheter ble testet, men urealistiske høye svingningsamplituder ble observert, på grunn av en stor løftekraft i starten av simuleringen. En rampefunksjon og demping ble testet og en reduksjon i amplituden ble observert. Gridet trenger imidlertid ytterligere tilpasninger, og et grid konvergensstudie bør gjennomføres før resultatene kan valideres ytterligere.

Global warming has been driving the research on renewable energy for years. Wind power is an important contributor among the renewable energy producers and the marked is still growing. The first offshore wind farm was installed in 1991 and was bottom fixed. In 2017 the first floating offshore wind park, Hywind Scotland, started to operate.

Floating structures can experience vortex induced motion (VIM) which can result in large forces and affect the fatigue life of the mooring system. In this project a spar supported and a semi-submersible supported have been studied. The semi-submersible is oriented with two side-by-side cylinders upstream and one cylinder downstream. The two wind turbines are design for the environmental condition at West of Barra, but a larger water depth is assumed.

The current is the most important environmental condition when considering VIM. DNV offshore standards are used to calculate a 50 year return period current profile. The mean of this profile is considered as the maximum current speed that these platforms will experience. This gives a mean current speed on 1.4 m/s for the spar and 2.07 m/s for the semi-submersible. The natural period of the spar and semi-submersible is 128.87 s and 104.17 s.

2D cross-sections of the two platforms are studied with the use of computational fluid dynamic (CFD) and OpenFOAM is chosen as the software. Turbulent flow in the range 7.65e5 ≤ Re ≤ 1.58e7, with turbulence intensity of 1% and a turbulent length scale of 3% of the diameter is studied. A grid convergence study was first preformed for the structural grid generated with blockMesh for a fixed cylinder, but due to numerical challenges an unstructured grid was decided to be more suitable as multiple cylinders also are studied. The unstructured grid was generated with snappyHexMesh for one cylinder before a grid for the semi-submersible was generated. The spar and semi-submersible has been studied as fixed structures and hydrodynamic quantities like Cd, Cl and St are studied, together with the flow features. The effect of low interaction between cylinders has also been studied for the semi-submersible and cancelling effects are observed for the two side-by-side cylinders in the front. The downstream cylinder experiences the largest drag and lift forces. An increase in drag is observe for both structures for increasing Re. This can be a result of the implementation of the wall functions.

Two dynamic grid generation techniques have been tested for the spar supported wind turbine. Decay tests and forced oscillation tests were preformed with two overset grids and one morphing grid. The morphing grid resulted in a natural period of 125 s and the overset grid with an unstructured overset patch resulted in a natural periods of 129.87 s. These two grids are tested with an inlet velocity of U=0.4 m/s which corresponds to a Ur≈3.6 for both grids. Resonance was observe in both cases as the cylinder oscillates with a period close to the natural period, however the amplitude of oscillation is around 0.7D and higher than expected. The motions are too large for the morphing gird and the flow resolution is suffering from the deformed cells. Most of the free stream simulations are therefore conducted with the overset grid. The lower out-of-lock-in region has been captured and reasonable oscillation amplitudes were obtained. More research is needed on the upper out-of-lock-in region. Two high velocities were tested, but unrealistic high cross-flow amplitudes were observed, due to a large lift force in the transient state. A ramp function and damping was tested and a reduction in the amplitude was observed. However, the grid experiences numerical issues. These issues need to be solved and a grid convergence study should be preformed before the results are reliable and can be validated further.