Numerical Study of Nonlinear Effects for the Wave-Induced Drift Loads on an FPSO

Abstract

Hovedmålet med denne oppgaven var å undersøke viktigheten av ikke-lineære interaksjonseffekter mellom bølger og skip for driftskreftene på en FPSO i bølger i tre dimensjoner, med fokus på de midlere driftkreftene. Denne avhandlingen presenterer en systematisk studie av kreftene og bevegelsene til en FPSO utført med CFD-løseren ComFLOW og sammenlignet med resultatene fra den lineære potensielle løseren Wadam. En kort teknisk introduksjon av en FPSO blir gitt før grunnleggende teori bak programvarene presenteres etterfulgt av et utvalg av relevant litteratur som beskriver moderene metoder og vanlig bransjepraksis for beregning av driftkrefter.

En geometri med bulb, en uten bulb, og en rettsidet geometri ble modellert i GeniE og analysert i Wadam. RAO’ene avslørte at geometriene med og uten bulb oppførte seg likt, mens den rettsidede geometrien hadde større jag-bevegelser, men mindre bevegelser i hiv og stamp. Den rettsidede geometrien hadde også den største midlere driftkraften i jag. Ved å sammenligne den flytende og den fasteholdte FPSOen ble det klart at den høye midlere driftkraften for den resttsidede geometrien i jag hovedsakelig kom fra de diffrakterte bølgene.

Metoden for direkte trykkintegrasjon og metoden for bevaring av beveglesesmengden til fluidet ble brukt til å beregne kreftene, og resultatene ble sammenlignet. Metoden for direkte trykkintegrering viste seg å være mer følsom for ujevneheter i geometrien, noe som førte til at metoden for bevaring av beveglesesmengden til fluidet var den mest robuste teorien.

For å studere problemet som fullstendig ulineært, ble en CFD-analyse utført. Først ble det gjort en konvergenstest av domenestørrelsen, meshing av geometri og størrelsen på rutenett i domenet. Testen ble utført med en bølgeperiode på 10 s og en bølgeamplitude på 1 m, noe som ble antatt å tilfredsstille de lineære forholdene og dermed være sammenlignbart med Wadam. I henhold til konvergensraten og orden av nøyaktighet, var det bare noen av testene som tydelig viste konvergens. Basert på reduksjonen i avvik fra Wadam og CPU-tiden, ble en domenestørrelse på 1472 m x 623 m x 220 m, en geometri med mesh på 7.07 m og et rutenett for domenet med størrelsene 0.94 m x 1.03 m x 0.67 m, valgt.

Analysen ble gjort for en fastholdt og en flytende geometri med bulb for bølgeperiodene 4 s, 8 s og 11 s, som ifølge Wadam-resultatene var i området for periodene med betydelige driftkrefter. Tre amplituder tilsvarende 10%, 50% og 70% av maksimal bølgesteilhet ble studert for en fast FPSO, mens en fjerde steilhet på 90% av den maksimale bølgesteilhet ble lagt til for det flytende fartøyet. I tillegg ble de tre forskjellige bauggeometriene undersøkt for en bølgeperiode på 11 s med en amplitude som korresponderte til en steilhet på 10% av maksimal bølgesteilhet for både en fastholdt og en flytende FPSO.

Resultatene fra ComFLOW var forventet å være nær resultatene fra Wadam for bølger med steilhet på 10% av maksimal bølgesteilhet. Når bølgenes steilhet øker, innføres flere ikke-lineariteter som forårsaker høyere driftkrefter. Basert på dette ble resultatene fra ComFLOW forventet å predikere høyere driftkrefter enn Wadam for de høyere steilhetene. Imidlertid viste analysene for de fasteholdte og flytende tilfellene for geometrien med bulb at det var lavere gjennomsnittlige driftkrefter for alle bortsett fra én steilhet. Analyse for de tre bauggeometriene resulterte i høyere gjennomsnittlige driftkrefter for alle tilfellene som ble undersøkt. ComFLOW viste seg å være følsom når det gjelder nettstørrelsen til domenet, noe som kan ha vært et bidrag til de uventede resultatene.

For å videreutvikle modellen bør oppsettet av parametere og rutenettet forbedres. Com- FLOWbør valideres mot andre CFD-programmer for å umdersøke om ComFLOW burde videreutvikles før det brukes til beregninger av midlere dirftkrefter. Ytterligere funksjoner som irreregulære bølger , fortøyningsliner og strøm bør implementeres for å muliggjøre studier av mer realistiske tilfeller.

The main objective of the thesis was to investigate the importance of nonlinear wave-body interaction effects on the FPSO drift loads in waves in three dimensions, focusing on the mean drift loads. This thesis presents a systematic study of the forces and motions of an FPSO performed with the CFD solver ComFLOW and compared with results from the linear potential solver Wadam.

A brief technical introduction of an FPSO is given before some basic theory behind the software is presented followed by a selection of relevant literature describing the state-ofthe- art methods and common industry practice for drift loads.

A geometry with bulb, one without bulb, and one wall sided geometry were modeled in GeniE and analysed in Wadam. The RAO’s revealed that the geometry with and without bulb had similar behaviors, while the wall sided geometry had larger surge motions but smaller heave and pitch response. The wall sided geometry did also have the largest mean drift force in surge. Comparing the floating and fixed FPSO, the high mean drift force for the wall sided geometry was mainly due to the diffracted waves. The direct pressure integration method and the conservation of fluid momentum method were used to calculate the forces, and the results were compared. The direct pressure integration method proved to be more sensitive to uneven geometries, leading the conservation of fluid momentum to be the most robust theory.

To study the problem as fully nonlinear, a CFD analysis was completed. First, a convergence study of the domain size, the meshing of the geometry, and the refinement of the grid of the domain was done. The test was conducted for a wave period of 10 s and a wave amplitude of 1 m, which was assumed to satisfy the linear conditions and, hence, be comparable to Wadam. According to the convergence ratio and the order of accuracy, only some of the tests clearly demonstrated convergence. Based on the reduction in the deviation from Wadam and the CPU time, a domain size of 1472 m x 623 m x 220 m, a geometry mesh of 7.07 m, and a domain grid refinement of 0.94 m x 1.03 m x 0.67 m were chosen.

The analysis were done for a fixed and a floating geometry with bulb for the wave periods of 4 s, 8 s and 11 s, which according to the Wadam results were in the range of periods experiencing significant drift forces. Three amplitudes corresponding to 10%, 50% and 70% of the maximum steepness were studied for a fixed FPSO, while a fourth steepness of 90% of the maximum steepness was added for the floating vessel. In addition, the three different bow geometries were examined for a wave period of 11 s with an amplitude corresponding to a steepness of 10% of the maximum steepness for both a fixed and a floating FPSO.

The results from ComFLOW were expected to be close to the results from Wadam for the waves with the steepness of 10% of the maximum steepness. As the steepness of the waves increases, more nonlinearities are introduced which cause higher drift forces. Based on this the results from ComFLOW were anticipated to predict higher drift forces than Wadam for the higher steepnesses. However, the fixed and floating cases analyzed for the geometry with bulb detected lower mean drift forces for all but one steepness. The analysis for the three bow geometries resulted in higher mean drift forces in surge for all the cases studied. ComFLOW turned out to be sensitive regarding the grid size of the domain, which could be a contribution to the unexpected results.

To further develop the model, the set up of parameters and grid should be improved. ComFLOWshould be validated against other CFD programs to investigate if ComFLOW needs to be further developed to accurately calculate the mean drift forces. Additional features as irregular sea, mooring lines and current should be implemented to enable the study of more realistic cases.