Modelling of Ringing Loads on Offshore Wind Turbine Monopiles

Abstract

Ringing er et fenomen som kan true den strukturelle integriteten til offshore vindturbin-monopeler. Det er karakterisert som en plutselig transient oscillering ved bølgefrekvens høyere enn egenfrekvensen til strukturen, indusert av høyere harmoniske bølgelaster. Bunnfaste offshore vindturbin-monopeler er plassert i endelig vanndybde, og er mer utsatt for ringing siden bølgene i endelig vanndybde er betydelig mer ikke-lineære sammenlignet med bølger i dypt vann. Med en naturlig periode på 3-5 sekunder, kan den naturlige frekvensen sammenfalle med 2ω-, 3ω- og 4ω- komponenter av innkommende bølger. FNV-teorien av Faltinsen, Newman og Vinje (1995) ble utviklet med den hensikt å modellere ikke-lineære bølgelaster, men Kristiansen og Faltinsen (2017) oppdaget at den tredje harmoniske lasten på en bunnfast sirkulær sylinder overpredikeres i eksisterende FNV-teori for lange og steile bølger. For å avgjøre om tredimensjonale effekter ikke gjort rede for i nåværende analytiske uttrykk kan forklare avvikene, har en 3D CFD-FNV lastmodell blitt utviklet i denne oppgaven.

3D CFD-FNV lastmodellen kombinerer todimensjonale CFD-simuleringer ved bruk av stripeteori og eksisterende uttrykk i FNV-teori, i tillegg til et slender body-uttrykk som beskriver tredimensjonale effekter i de horisontale bølgelastene på monopelen. Todimensjonale CFD-simuleringer brukt i lastmodellen ble utført ved bruk av OpenFOAM, og konvergensstudier av den numeriske modellen indikerte at modellen ikke var i stand til å korrekt beskrive strømninger med KC > 6. Sammenligninger av resultatene fra 3D CFD-FNV lastmodellen viste at det tredimensjonale uttrykket ikke bidro i vesentlig grad til den horisontale kraftamplituden. Undersøkelser av det ekstra uttrykket viste at den tredje harmoniske av den tredimensjonale kraften er ut av fase med den viskøse kraften fra todimensjonale CFD-simuleringer, som indikerer at tredimensjonale effekter reduserer den totale horisontale kraften. Bidraget til den tredje harmoniske lasten fra den tredimensjonale kraften var største for steile og lange bølger, i området hvor analytiske uttrykk overpredikerer den tredje harmoniske kraften. Amplituden av den tredimensjonale kraften er i dette området 5-6% av den totale horisontale kraftamplituden, som underbygger ideen at tredimensjonale effekter er årsaken til avvikene mellom teoretiske og ekseperimentelle resultatene for den tredje harmoniske lasten på monopeler.

Resultatene i denne oppgaven viser at slender body-uttrykkene i 3D CFD-FNV lastmodellen alene ikke forklarer avvikene i de tredje harmoniske lastprediksjonene. Anbefalinger for videre arbeid inklurerer en studie av andre tredimensjonale effekter, for eksempel virvelavløsning i yz-planet. Eksperimenter viser en lokal oppstrømning som er antatt å være forårsaket av en høytrykksone fra virvelavløsning, og høyere harmoniske lastbidrag fra dette kan forklare avvikene i den predikerte tredje harmoniske lasten.

Ringing is a phenomenon that can cause a threat to the structural integrity of offshore wind turbine monopiles. It is characterized by sudden transient oscillation at a wave frequency significantly lower than the eigenfrequency of the structure, induced by higher harmonic wave loads. Bottom fixed offshore wind turbine monopiles are located at finite water depth, and are more likely to experience ringing as waves in finite water are significantly nonlinear compared to waves in deep water. With a natural period of 3-5 seconds, the natural frequency can coincide with 2ω, 3ω and 4ω components of incoming waves. The FNV theory by Faltinsen, Newman and Vinje (1995) was developed to model nonlinear wave loads, but Kristiansen and Faltinsen (2017) found that the third harmonic wave load on a bottom mounted circular cylinder is overpredicted by existing FNV theory for long and steep waves. In order to determine if three dimensional effects not accounted for in present analytical expressions can explain the discrepancies, a 3D CFD-FNV load model has been developed in this thesis.

The 3D CFD-FNV load model combines two dimensional CFD simulations by the use of strip theory and existing terms in FNV theory, with the addition of a slender body term accounting for three dimensional effects in the total horizontal wave loads on the monopile. Two dimensional CFD simulations used in the load model were performed using OpenFOAM, and convergence studies of the numerical model indicated that the model was unable to accurately model flows with KC > 6. Comparison of the results from the 3D CFD-FNV load model showed that the three dimensional term did not significantly affect the total horizontal force amplitude. Investigation of the added term did however show that the third harmonic of the three dimensional force is out of phase with the third harmonic of the viscous force from two dimensional CFD simulations, indicating that three dimensional effects do in fact reduce the total horizontal force. The contribution to the third load harmonic from the three dimensional force was largest for steep and long waves, in the range where analytical expressions overpredict the third harmonic force. The amplitude of the three dimensional force is this range was 5-6% of the total horizontal force amplitude, which substantiates the idea that three dimensional effects are the reason for discrepancies between theoretical and experimental results for the third harmonic load on monopiles.

The results obtained in this thesis do however show that the added slender body terms in the 3D CFD-FNV load model do not alone account for the discrepancies in the third harmonic load predictions. Recommendations for further work include a study of other three dimensional effects, for instance vortex shedding in the yz-plane. Experiments show a local rear run-up that is believed to be caused by a high pressure zone from vortex shedding, and higher harmonic load contributions from this may explain the discrepancies in the predicted third harmonic load.