Dynamic responses of monopile wind turbines subjected to nonlinear wave loads

Abstract

I denne masteroppgaven blir eksperimentelle målinger fra en vindturbin med monopælfundament utsatt for regulære og irregulære bølger undersøkt. Monopælen har en diameter på 9 meter og bærer en 10 MW vindturbin. Ulike numeriske metoder blir brukt for å estimere responsen, og resultatene blir målt opp mot målinger fra eksperimentet. Modellen er laget i skala 1:50 og er fullt fleksibel. Den har første og andre egenfrekvens, samt første egenmode, som er representativ for en fullskala vindturbin med monopælfundament. De strukturelle dempningskoeffisientene i den numeriske modellen er tilpasset ved å bruke første og andre egenfrekvens og dempningsratio fra den fysiske modellen.

Bølgehevningen i de regulære bølgetestene ble forsøkt gjenskapt ved tre forskjellige metoder: Lineære bølger, Stokes andreordens bølger og strømfunksjonsbølger. Strømfunksjonsbølgene gir det beste estimatet for bølgehevningen når Ursell nummeret Ur>26. Fire ulike numeriske metoder blir sammenlignet mot målingene fra eksperimentet. Responsen er fremstilt ved bøyemoment i bunnen av fundamentet, og er delt opp i bidrag fra første til fjerde harmonisk. Alle metodene ga rimelige estimater av første harmonisk respons for begge bølgesteilhetene. For bølger med steilhet s=1/40 ga Morison modellen med andreordens kinematikk det beste estimatet av andre harmonisk respons, men den klarte ikke å gjengi tredje harmonisk respons. Tredje harmonisk respons ble best estimert av FNV modellen for bølger med steilhet s=1/40, men for bølger av steilhet s=1/22 ble denne kraftig overestimert. Morison modellen med strømfunksjons kinematikk ga konservative estimater av andre og tredje harmonisk respons i bølger med steilhet s=1/22 og andre harmonisk respons i bølger med steilhet s=1/40, men underestimerte tredje harmonisk respons. Ingen av de undersøkte numeriske metodene klarte å gjengi korrekt respons i andre og tredje harmonisk respons for begge bølgesteilheter.

20 ulike hendelser med høy respons er identifisert fra målingene av en tre timers irregulær sjøtilstand med Hs = 8.6 s og Tp = 11 s. Responsen er filtrert rundt første og andre egenfrekvens, der den vil bestå hovedsakelig av henholdsvis første- og andremode. Kvasistatisk respons er definert som resten etter at første- og andremode respons er trukket fra den totale responsen. De største responsene finner sted når andremode blir eksitert samtidig som førstemode opplever transient respons, såkalt ringing. Tre ulike numeriske metoder blir sammenlignet mot målingene fra eksperimentet. Morison modellen med lineær kinematikk integrert opptil stillevannsnivå gir kun kvasistatisk bidrag til den totale responsen. Den kvasistatiske responsen er underestimert sammenlignet med målingene. Morison modellen med strømfunksjons kinematikk integrert opp til den faktiske bølgehevningen er i stand til å eksitere ringing i førstemode. Denne metoden gir bedre estimat av den kvasistatiske responsen, men responsen i førstemode er generelt overestimert, spesielt når den målte bølgen er brytende. Når Wienkes slamming modell legges til, blir andremode eksitert også. Sammenlignet med målingene er bidraget fra andremode meget overestimert. Den numeriske modellen gir derfor et konservativt estimat av responsen fra en ekstrem bølge, og balansen mellom første- og andremode blir ikke korrekt representert.

In this thesis, experimental data on a 9-diameter monopile foundation supporting a 10 MW wind turbine subjected to regular and irregular sea have been studied. The experimental data have been compared to numerical methods. The model has a scale of 1:50 and is fully flexible with 1st and 2nd eigenfrequencies and 1st mode shape representative of a full-scale wind turbine. The structural damping coefficients of the numerical model in SIMA are tuned to fit the eigenfrequencies and damping ratio obtained from decay tests of the physical model.

For the regular wave tests, the wave elevation is recreated by linear waves, Stoke’s second order waves and stream function waves. The stream function waves provide the best match for the wave elevation when the Ursell number Ur>26. The mudline bending moment was split into contributions of the 1st, 2nd, 3rd and 4th harmonic, and four different numerical methods were compared to the measurements. All methods provided fair estimates of the 1st harmonic response for both steepnesses investigated. For waves of steepness s=1/40, the Morison equation using second order kinematics provided the best estimate of the 2nd harmonic response but was not able to capture the 3rd harmonic response. The 3rd harmonic response was matched well by the FNV method for waves of steepness s=1/40, while severely overestimating for waves of steepness s=1/22. The Morison equation using stream function kinematics provided conservative estimates for the 2nd and 3rd harmonic response for waves of steepness s=1/22 and 2nd harmonic response for waves of steepness s=1/40, but underestimating the 3rd harmonic response for waves of steepness s=1/40. None of the proposed numerical methods were able to capture the correct response in 2nd and 3rd harmonic response for waves of both steepnesses.

20 different high-response events are identified from the measurements of a 3-hour irregular sea state of Hs = 8.6 m and Tp = 11 s. The response is filtered around the 1st and 2nd eigenfrequency, where the response will consist mainly of 1st and 2nd mode, respectively, and the residue is said to be the quasi-static response. The largest responses are found to occur when there is an excitation of the 2nd mode on top of a ringing response. Three different numerical approaches are tested. The Morison equation using linear kinematics integrated up to the still water level only provides contribution to the quasi-static response, which is underestimated compared to the measurements. The Morison equation combined with stream function kinematics integrated to the free surface is able to trigger ringing response in the 1st mode. This numerical method provides better estimate of the quasi-static response, however, the 1st mode response is generally overpredicted, especially when the measured wave is breaking. The Wienke slamming model is added, which excites 2nd mode response. Compared to the measurements, the 2nd mode contribution is very overestimated. The numerical method ends up providing a conservative estimate of the response from an extreme wave, and the balance between the 1st and 2nd mode response is not captured.