Investigation of the StationMar concept to validate the principle of the structure and find corresponding challenges to develop a functional system

Abstract

Hensikten med denne masteroppgaven er å undersøke en ny flytende struktur som skal gi redusert vertikal hiv-bevegelse. Strukturen med navn StationMar vil bli presentert i denne oppgaven sammen med potensielle utfordringer som kan redusere eller hindre strukturen i å fungere optimalt. Konseptet StationMar benytter trykkendringer påført av bølger for å komprimere luft i et nedsenket kammer. Luftvolumet gir oppdrift til strukturen og vil endres sammen med trykket. En inntreffende bølge vil forårsake at en større andel av strukturen er under vann og en resulterende økning i oppdrift oppstår. Denne oppdriften kompenseres ved at luften komprimeres som et resultat av et økt hydrostatisk trykk. Dette systemet tillater mindre endring i oppdrift og dermed reduserer vertikal hiv-bevegelse. Denne oppgaven gir en introduksjon til konseptet og de tilhørende utfordringene for å definere et eksperimentelt forøk for å undersøke funksjonaliteten til systemet.

Konseptet StationMar består av flere elementer som må samhandle for å oppnå et funksjonelt system med ønskede kriterier. For å enklere forklare hovedprinsippet til strukturen er det benyttet en designmetodikk for å dele konseptet opp i underkategorier for en forenklet forklaring. Luftkammeret i strukturen er essensiell for at konseptet skal fungere, kammerets design er direkte avhengig av den geometriske utformingen gjennom vannflaten og blir derfor forklart gjennom et potensielt design. Utfordringer knyttet til kammerets effektivitet som f.eks. hydrodynamisk trykk og forsinkelse mellom bølge og kammer periode gir oversikt over konseptet og hvilket eksperimentelt forsøk som er fornuftig å teste.

Forsøket som er utført under denne masterperioden måler trykkendringer relatert til en tiltenkt bølge for å etablere tilstrekkelig måldata for å beregne forsinkelser i systemet. Resultatene fra forøket viser en forsinkelse i ekspansjonsfasen som resulterer i at full ekspansjon ikke er oppnåelig. Et redusert luftvolum i systemet gir mindre oppdrift og kan potensielt få strukturen til å sige dypere under vannflaten for å oppnå likevekt og stabilitet. Undersøkelser av konseptet har også vist at andre elementer vil påvirke systemet til å bli mindre effektivt. Det hydrodynamiske trykket vil variere med bølgeparametere og dybde, dette gir variasjon til det totale trykket og dermed gjøre strukturen mindre effektiv. Luftkammeret må også designes for en spesifikk dybde for å kunne kompensere for innkommende bølger. Hvis strukturen endrer dypgang vil kammeret ikke kunne fungere som tiltenkt, strukturen er derfor sensitiv for slike endringer. Konseptet kan gi en struktur med mindre hiv-bevegelse som kan operere i tøff sjøtilstand så lenge strukturen klarer å holde en tilnærmet konstant avstand til vannflaten.

The scope of this master thesis is to investigate a new type of floating structure to give a thorough introduction of the concept and the challenges that must be solved to develop a functional structure. The concept is named StationMar and is a concept that utilizes the change in pressure below a wave to compress air located in a submerged chamber. The objective is to reduce the variation in buoyancy and therefore reduce the vertical heave motion of the floating structure. A requirement set to the system will increase the operability and be beneficial for several industries. An explanation of the concept and an overview of potential challenges are defined in this thesis to determine an experimental method to investigate the principle of the structure.

StationMar consists of several elements that must interact for the structure, to work as intended. To gain a complete understanding of the system, a design method is developed to suit this master thesis. The design method divides the primary functions into subsections to help understand the complexity of the system. The design of the air chamber is related to the dimensional parameters of the structure and is examined through a case study to explain the fundamental principle of the concept. Other elements such as hydrodynamic pressure and a potential delay between the wave and chamber fluctuation are described to present challenges that must be solved. A complete overview of the concept provides the foundation to develop an experimental setup to investigate the concept further.

The experimental setup measures change in pressures related to an intended propagating wave, so the delay in the system can be calculated. The results show a delay in the compression phase that will prevent the system from achieving sufficient buoyancy. The volume is approximate 6 % lower than intended and will make the structure descend until a steady state is reached. Investigation of the concept also revealed that the total pressure below a propagating wave will vary due to the hydrodynamic pressure and will contribute to making the system sensitive for changes. The air chamber must be designed for a specific depth to operate as intended, a change in a vertical position will prevent the concept keeping a constant buoyancy. The concept has the potential to be utilized in harsh environments with the ability to reduce the heave motion as long as the structure is held at a constant distance to the surface.