Experimental Study of Splash Zone Wave Loads on a Combined Configuration of a Porous Plate and a Circular Cylinder

Abstract

Løfteanalyse av en undervanns-struktur bestemmer operasjonsgrensen hva angår sjøtilstand for å gjennomføre operasjonen under trygge forhold. Denne grensen bestemmes av de største forventede kreftene i løftesystemet. Vannpartikkelkinematikken når sitt maksimum i plaskesonen, og dermed er de dimensjonerende kreftene forventet å finne når modulen løftes gjennom vannoverflaten. Typiske subsea-konstruksjoner består av flere ulike komponenter med ulike egenskaper, og geometrien er i hovedsak komplisert. Som følge av dette er strømningene rundt strukturen komplisert and de eksiterte kreftene er forventet å avhenge av interaksjonseffekter mellom komponentene. Presis estimering av kreftene er derfor vanskelig, og anerkjente regelverk, som DNV-GLs anbefalte praksis anbefaler 3D forsøk for å estimere hydrodynamiske krefter for kompliserte konstruksjoner. I denne oppgaven er eksperimentelle analyser av modeller som imiterer oppførselen til typiske subsea-konstruksjoner gjennomført. De hydrodynamiske kreftene er undersøkt for de individuelle modellene, i tillegg til kombinerte konfigurasjoner. Objektivet med analysen er å studere oppførselen til porøse plater i kombinerte konfigurasjoner, og i tillegg kvantifisere hydrodynamiske interaksjonseffekter mellom komponentene.

Eksperimentene er gjennomført i Ladertanken, lokalisert i NTNUs lokaler på Tyholt. Ladertanken er en bølgetank som tilrettelegger for tilnærmet todimensjonale forsøk. To porøse plater med ulik porøsitet, såvel som en sirkulær sylinder er testet i forsøkene. I de kombinerte konfigurasjonene er sylinderen installert vertikalt over platene. To eksperimenter er gjennomført; modellene er delvis nedsenket i innkommende bølger og fullsteding nedsenket i innkommende bølger. I forsøkene der modellen er delvis nedsenket er modellene også montert i ulike vertikale posisjoner for å maksimere vannpartikkelkinematikken for ulike deler av modellene.

Når modellen er delvis nedsenket i bølgesonen viser det seg at kraftbidraget fra sylinderen er neglisjerbart i forhold til den totale kraften følt av den kombinerte modellen. Dette gjelder i all hovedsak for de KC-tallene der oppdriftskraften ikke er dominerende. Tilstedeværelsen til de porøse platene har, naturlig nok, en innvirkning på det totale strømningsbildet rundt sylinderen, og interaksjonseffekter mellom platen og sylinderen ser ut til å gi mindre kraft følt av sylinderen. I det laveste sjiktet av KC-tall ser det ut til at høyere ordens effekter er viktige ettersom den målte kraften i større grad avviker fra teoretiske beregninger.

Fra de helt nedsenkede eksperimentene har de hydrodynamiske egenskapene til de kombinerte konfigurasjoner en tendens til å bli dominert av den porøse platen. Selv når KC-tallet er lite og den porøse platen ikke bidrar vesentlig til den totale kraften, viser den kombinerte konfigurasjonen et betydelig større drag-bidrag sammenlignet med sylinderen. De målte kreftene har vist en sterk KC-avhengighet både i de delvis og helt nedsenkede testene.

Ganske forventet har store riggoscillasjoner vært fremtredende under forsøkene, og introdusert en betraktelig mengde usikkerhet til målingene. Imidlertid har repeterende tester og forsiktig tolkning av de målte dataene, samt tilrettelegging for likt eksperimentelt oppsett for de forskjellige testene gitt tillit til resultatene.

The lifting analysis of a subsea structure determines the sea-state operational limitation for which the operation can be safely conducted. This limitation is governed by the largest expected forces in the hoisting system. The water-particle kinematics yields it's maximum in the splash-zone, hence limiting forces are expected as the structure is lowered through the surface. Typical subsea structures consists of several different components governed by different properties and the geometry is in general complex. Consequently, the flow around the structure is complex and the excited forces are expected to be characterized by interaction effects between the components. Thus, estimating these forces accurately is difficult, and recognized classification such as the DNV-GL Recommended Practice, recommends 3D model testing to estimate the hydrodynamic loads on such complex structures. In this thesis experimental analysis of simplified models imitating the behavior of typical components in a subsea structure is conducted. The hydrodynamic forces are investigated for the individual models as well as combined configurations, and the objective of the analysis is studying the behavior of porous structures in combined configurations, as well as quantifying hydrodynamic interaction effects.

The experiments are conducted in Ladertanken at NTNU's Tytholt campus, which is a wave-flume tank facilitating for near two-dimensional experiments. Two porous platelike structures of different porosity and a smooth circular cylinder are tested, and in the combined configurations the cylinder is installed above the porous plates. Two experiments are conducted; the models being partly submerged experiencing water-entry and water-exit, and the models being fully submerged close to the mean free surface. In the partly submerged experiments the model is installed at different vertical positions to maximize the water-particle kinematics for different parts of the models.

In the partly submerged tests, the force contribution from the cylinder was found to be insignificant compared to the total force experienced by the combined model. However, this trend was only evident when the KC number was sufficiently large, so that the buoyancy force was no longer governing. The presence of the porous plates, quite naturally, affects the flow around the cylinder. This interaction lead to a smaller force experienced by the cylinder in the combined model, compared to the unaffected cylinder. In the lower end of the KC range, higher order effects are found to be important, as the deviation between the measured forces and theoretical calculations increase for decreasing KC.

From the fully submerged experiments, the hydrodynamic properties of the combined configurations tends be dominated by the porous plate. Even when the KC number is small and the porous plate does not contribute significantly to the total force, the combined configuration show a larger drag contribution compared the cylinder. The measured forces have shown a strong KC dependence, both in the partly and fully submerged tests.

Quite expectedly, large rig oscillations have been prominent throughout the experiments, introducing a considerate amount of uncertainty to the measurements. However, repetitive tests and cautious interpretation of the measured data as well as facilitating equal experimental set-up for the different tests, have given confidence to the results.