Numerical Simulations of Offshore Towing of Floating Wind Turbines

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler marine taue-operasjoner, med hovedvekt på taue-operasjonen til en Hywind Tampen flytende vindturbin. Hovedmålet med oppgaven er å sammenligne resultatene av det totale strekket i linen ved bruk av en modell i både frekvens- og tids-planet.

For å analysere det totale strekket i linen i frekvens-planet, ble en utregningsmodell i Matlab laget. Først ble de statiske kreftene regnet ut, noe som resulterte i det midlere strekket for 49 forskjellige vær-tilstander. Basert på DNV's regelverk for linestyrke, ble den nødvendige propellkraften for den høyeste valgte vær-tilstanden brukt til å designe styrken for 3 forskjellige line-materialer. De valgte materialene var stålwire, polyester og kjetting. Den statiske modellen i Matlab ble videre utvidet til frekvens-planet der det dynamiske strekket i linen ble regnet ut. Det ble gjort med både en quasi-statisk modell, og en dynamisk modell som tok høyde for de potensielle drag-kreftene på linen. Analysen i frekvens-planet inkluderte bidragene fra de midlere kreftene fra vind, strøm og bølgedrift, i tillegg til de første ordens bølgekreftene. Disse analysene resulterte i signifikante dynamiske krefter i stålwire og kjetting for begge modellene, spesielt for tauehastigheter og sjøtilstander som operasjonen normalt ville blitt utført i. For polyester derimot, var de dynamiske kreftene stabilt på et lavere nivå sammenlignet med de andre materialene.

Analysen av det totale strekket i linen i tidsplanet ble gjennomført ved hjelp av analyseverktøyet SIMA, hvor en Simo-modell ble brukt. Det ble gjort simuleringer for 16 forskjellige sjøtilstander, med identiske taueliner som i frekvensplanet. Hver tilstand ble kjørt for 20 forskjellige frøtall, for å forsikre seg om at man registrerte de høyeste ekstremverdiene. Disse resultatene ble videre plottet inn i hver sin Gumbel-distribusjon. Modellen i tidsplanet inkluderer de midlere kreftene fra vind, strøm og bølgedrift, de førsteordens bølgekreftene, i tillegg til krefter fra vindkast og de andre ordens lavfrekvente bølgene. $T_P$ viste seg å være en veldig viktig parameter, grunnet risikoen for å akselerere tauebåten inn i såkalte "slow-drift"-bevegelser for lange bølgeperioder. Dette fenomenet ga store dynamiske krefter i stålwiren og kjettingen, og resulterte i at tauelinen røk for mye lavere sjøtilstander enn det den var designet for. Grunnet sin elastiske oppførsel, viste polyester derimot ikke disse fenomenene i samme grad, noe som gir den mye lavere sannsynlighet for å ryke.

I lys av disse resultatene ble det satt spørsmålstegn ved reglene for linestyrke fra DNV. Disse tar ikke for seg det dynamiske aspektet av linestrekket, men baserer den nødvendig styrken kun på statiske analyser. For materialer som stålwire og kjetting som ofte gir høyt dynamisk strekk i linen, er ikke linen sterk nok og man kan få brudd. Derimot, igjen for materialer med høy elastisitet, stemmer reglene bedre, og det er mindre sannsynlighet for brudd.

Til slutt ble resultatene fra frekvens- og tidsplanet sammenlignet og diskutert. Grunnet inkluderingen av vindkast og de lavfrekvente bølgekreftene i Simo-modellen, fikk man de største forskjellene for tilstander med lange bølgelengder for stålwire og kjetting. Dette var mest av alt grunnet at tauebåten ble akselerert inn i "slow-drift"-bevegelser pga andreordens dynamiske krefter på lina, og at disse kreftene ikke var inkludert i frekvensplan-modellen.

Hovedkonklusjonen for denne masteroppgaven ble dermed at det ikke er tilstrekkelig å kun basere seg på en frekvens-plan modell når man regner ut strekket i taulinen, fordi andre ordens bølgekrefter er meget viktig for visse sjøtilstander. I tillegg bør reglene for linestyrke fra DNV gjennomgåes, spesielt for materialer som stålwire og kjetting. Ti slutt er det derfor anbefalt å bruke en full tidsplan-analyse for fremtidige ingeniør-analyser av taueoperasjoner.

This thesis is written on the subject of marine towing operations, using the offshore towing of a single Hywind Tampen floating wind turbine as a main case. The purpose of this work was to calculate and compare the total tension in the towline using both a frequency- and time-domain model.

A calculation-model was created in Matlab for the analysis in the frequency domain. Initially, the static forces were calculated, giving the mean forces on the towline for 49 different environmental conditions. Based on DNV's offshore standard for towline strength, the required bollard pull for the most severe condition was used to design three towlines of different material. The materials chosen were steel wire, polyester and chain, which are common materials used in towing operations today. The static model in Matlab was extended to frequency domain, and the dynamic tension in the line was calculated. This was done using both a quasi-static model, and a dynamic model to account for drag-forces on the line.\\ The analysis in Matlab included the mean forces from wind, waves and current, in addition to the 1st order wave forces. For the most likely towing velocities and seastates a towing operation would be conducted in, it was found, using both models, that significant dynamic forces were induced in chain and steel wire. However, polyester proved to have significantly lower dynamic tensions due to its elastic behaviour. %If handled carefully, polyester was therefore concluded to be to the most suitable material for a towing operation of a Hywind Tampen FWT.

The analysis of the tension in the towline was continued in time-domain, by the use of numerical simulations in SIMA. SIMA is a workbench based on the two engines Simo and Riflex. 16 different conditions were run in a Simo-model, with identical towlines to the ones used in frequency domain. Simo includes the mean forces from wind, waves and current, the 1st order wave forces, forces from wind gusts and 2nd order difference frequency-forces. To ensure that the simulations recorded the most extreme tensions, all the conditions were run for 20 different seeds and plotted into a Gumbel distribution. The spectral period $T_P$ proved to be an important parameter, due to the risk of accelerating the tug into slow-drift motions for long wave periods. This resulted in major dynamic tensions in steel wire and chain, causing it to break for significantly lower conditions than it was designed for. However, again due to its elastic behaviour, polyester did not induce the same amount of dynamic tension, leaving a lower probability for rupture.

The rules for towline strength from DNV were therefore questioned, as they do not take into account the dynamic tensions arising during towing and base the required towline strength solely on a static evaluation. For materials like steel wire and chain that induce significant dynamic tensions, the designed strength is not sufficient and the towline may break. However, for materials with elastic properties such as polyester, the rules were found to be closer to satisfactory, leaving low probability for rupture.

The results from the frequency- and time-domain were then compared and discussed. Due to the inclusion of wind gusts and 2nd order difference wave frequency forces in the Simo-model, the largest deviations between the two approaches were observed in conditions with long spectral wave periods for steel wire and chain. This was mainly due to the fact that the tug is accelerated into slow-drift motions by 2nd order difference frequency forces, which were not included in the Matlab model.

The main conclusion of this thesis is that it is not sufficient to only perform an analysis of the towline tension in frequency domain, due to the importance of wind gusts and 2nd order difference frequency forces. A full time-domain analysis is therefore suggested as a suitable simulation model for future engineering of towing operations. In addition, it is strongly recommended that the rules for towline strength from DNV are re-evaluated, especially for steel wire and chain.