Experimental Study of Hydrodynamic Loads on Ventilated Plates Near the Free Surface

Abstract

De hydrodynamiske kreftene på forenklede strukturer blir studert for å undersøke hvordan krefter varierer med porøsitet og nedsenking, samt gi en sammenligning mellom harmoniske oscillasjoner og bølger. Tvungne oscillasjoner og bølgeforsøk utføres for to ventilerte plater (C19 og C28) med porøsitet 0.189 og 0.280. Eksperimenter er relevante for stadiene i offshore installasjonsoperasjoner der undervannsmoduler er nær overflaten, men fullt nedsenket.

Tvungne oscillasjoner vurderes først separat. Tilleggsmassekoeffisienter viser en avtagende trend mot null og negative verdier for minskende nedsenking. Dempingskoeffisienter følger en økende trend, der største verdier observeres for laveste dypgang. Tilleggsmassekoeffisienter kan være 2-8 ganger større for modellen med minst porøsitet (C19), mens dempingen er omtrent dobbelt så stor sammenlignet med C28. Større periodeavhengighet observeres for C19 ved alle dypganger. Dempingsdominans observeres for begge modeller og øker med porøsitet.

Separate bølgetester viser en betydelig dempingsdominans for begge modeller. Dempingsdominansen øker med perforering, men de hydrodynamiske koeffisientene er nok en gang størst for C19. Det blir observert stor spredning i tilleggsmassekoeffisientene, der verdiene blir mer negativ for de minste dypgangene. Størst demping observeres for lavest dypgang og dempingsverdiene for C19 er omtrent 2 ganger større enn tilsvarende verdier for C28. Nok en gang er periodeavhengigheten størst for C19 ved alle dypganger. Alle de hydrodynamiske koeffisientene viser en sterk amplitudeavhengighet i både bølger og tvungne oscillasjoner.

Det antas at forskjeller i de hydrodynamiske kreftene med perforering for de separate tilfellene av bølger og tvungne oscillasjoner skyldes større blokkeringseffekter for modellen med lavest porøsitet (C19), samt en større tilstedeværelse av globale virvler ved plateendene. Det siste er basert på funn av Mentzoni. Forskjeller med dypgang skyldes sannsynligvis forskjellige interaksjoner med omkringliggende væske og den frie overflaten.

Kreftene er større for tvungne oscillasjoner sammenlignet med bølger, der en 25-100% forskjell blir observert for middels til høye KC-verdier for begge modeller. Ved lave KC-tall konvergerer kreftene i bølger og oscillasjoner mot de samme verdiene når KC går mot 0. Noen avvik observeres for C28, mest sannsynlig på grunn av uidentifiserte eksperimentelle feil. Sammenligninger med strømningsvisualiseringer i oscillerende og orbitale strømningsforhold av Mentzoni antyder at forskjeller skyldes en økt tilstedeværelse av globale endevirvler når KC-tallet øker. Mentzoni sine resultater viser symmetriske mønstre av virvler i plateendene for oscillerende strømning, men bare en ensidig endevirvel under orbitale forhold for høye KC-tall. Disse plateendevorteksene er ikke observert for lave KC-tall, noe som kan forklare lignende krefter for bølger og oscillasjoner ved lave KC-verdier.

The hydrodynamic loads on simplified structures are studied to investigate how forces vary with porosity and submergence, as well as to provide a comparison of the forces in harmonic oscillations and waves. Forced oscillation and regular wave tests are performed for two ventilated plates (C19 and C28) with porosities 0.189 and 0.280. Experiments are relevant for the stages of offshore installation operations when subsea modules are near the free surface, but fully submerged.

Forced oscillation tests are first considered separately. Added mass coefficients show a decreasing trend towards zero and negative values with decreasing submergence. Damping coefficients follow a steadily increasing trend, with larger values observed for the smallest submergence. Added mass coefficients can be 2-8 times larger for the model with the smallest porosity (C19), while damping is approximately twice as large compared to C28. Larger period dependence is noted for C19 at all submergences. Damping dominance is observed for both models, where this damping dominance increases with porosity.

Separate wave tests show a significant damping dominance for both models. This damping dominance increases with perforation ratio, but the hydrodynamic coefficients are once again largest for C19. Large scatter is observed for the added mass coefficients, where the values become increasingly negative for the smallest submergences. Largest damping is observed for the smallest submergence, and damping values for C19 are approximately 2 times larger than most corresponding values for C28. Once again, larger period dependence is noted for C19 at all submergences. All coefficients also show a strong dependence on the amplitude of motion in both waves and oscillations.

For the separate cases of oscillations and waves, differences in the hydrodynamic loads with perforation are assumed to be caused by larger blockage effects for the model with lowest perforation (C19) and a larger presence of global vortices at the plate ends. The latter is based on findings by Mentzoni. Differences observed with submergence are most likely due to differing interactions with the surrounding fluid and free surface.

Larger forces are observed for forced oscillations compared to waves, where a 25-100% difference is observed for mid to high KC values for both models. At low values of KC, the hydrodynamic loads in waves and oscillations converge towards the same values as KC approaches 0. Some deviations are observed for C28, most likely due to unidentified experimental errors. Comparisons with flow visualizations in oscillating and orbital flow conditions by Mentzoni suggest that differences are due to an increased presence of global plate end vortices as the KC number increases. His results show symmetrical patterns of vortices at the plate ends for oscillating flow, but only a single one-sided vortex in orbital conditions for high KC numbers. These plate end vortices are not observed for the lowest KC range, which could explain similar forces for waves and oscillations at low KC numbers.