| dc.description.abstract | Flytende offshore konstruksjoner utsatt for miljøbelastninger er ofte forankret for å kontrollere posisjonen til konstruksjonen. Forankringen må ta høyde for bølgelaster, da spesielt bølgedriftsbelastninger, før konstruksjonen installeres. Tradisjonelt har beregningene gjerne vært rettet konstruksjoner mot olje og gass sektoren. Ettersom utviklingen av fornybare energikilder er i økende fokus, blir forankringssystemet også viktig for disse konstruksjonene. Nøyaktige beregninger blir derfor viktig for flere typer offshore konstruksjoner. Beregningene av bølgedriftsbelastninger har gjerne blitt gjort ved bruk av Newmans tilnærming og Morisons dragkraft. Det har likevel blitt observert avvik til modelltester når disse metodene har blitt brukt.
I denne oppgaven er hovedmålet å fremheve de ikke-lineære potensielle og viskøse effektene på bølgedriftsbelastninger. CFD-programvaren OpenFOAM har derfor blitt brukt for å analysere både 2D og 3D, faste konstruksjoner som reagerer med innkommende bølger. Dette har blitt gjort for regulære bølger, og det har derfor blitt fokusert på gjennomsnittlige bølgedriftsbelastninger. For å finne et passende numerisk oppsett har det blitt utført systematiske 2D studier av bølger i OpenFOAM. Diskreditering i tid og rom har blant annet blitt analysert. Det har blitt sett at flere parametere påvirker nøyaktigheten og stabiliteten til de numeriske simuleringene. I tillegg har det blitt observert problemer med holde konstant bølgehøyde over hele domenet. Videre har det blitt sett forskjeller mellom bruk av forskjellig bølgeteori for bratte bølger.
En 2D skipsseksjon har blitt analysert i bølger innkommende fra siden. Lastseriene har vist seg å øke med brattheten til bølgen. Harmoniske lastkomponenter har korrespondert bra med referanseresultater fra en fullt ikke-lineær potensialteorimetode. Resultatet fra CFD for gjennomsnittlig bølgedriftsbelastning i svai har korrespondert bra med flere referanseresultater. For en høyere bølgefrekvens er forskjellene større. Stokes femte-ordens bølgeteori gir ganske like resultater som de overnevnte resultatene fra potensialteori. Dette ga en indikasjon på at høyere ordens potensielle effekter var viktige for økende bratthet på bølgen.
Den halvt-nedsenkbare flytende havvind strukturen VolturnUS-S har blitt analysert i bølger innkommende forfra. I tillegg til OpenFOAM resultater har det blitt gjort analyser i WAMIT. Den gjennomsnittlige bølgedriftsbelastningen i jag ble funnet både fra direkte trykkintegrering og konservering av momentum. De sistnevnte resultatene ble vurdert som de beste. De gjennomsnittlige bølgedriftsbelastningene i jag fra OpenFOAM ble sammenlignet med WAMIT-resultatene. Dette viste at avviket mellom de to metode økte med både bølgehøyde og bølgelengde, for lange bølgeperioder. Økte viskøse bidrag er antatt å være årsaken til observasjonene.
Resultatene fra CFD ble også sammenlignet med korreksjonsligningen som ble funnet empirisk under prosjektet EXWAVE. For de de lange bølgene viste de aller fleste bølgehøydene seg å gi større resultater fra CFD enn ved bruk av EXWAVE ligningen. Dette kan antyde at videre arbeid kreves før EXWAVE ligningen kan brukes for flytende havvind. | |
| dc.description.abstract | Floating offshore structures subjected to environmental loads are typically moored for control of positioning. The mooring system is therefore carefully designed with respect to wave loads, in particular mean and slow drift loads, prior to structure installation. Traditionally, structures for the oil and gas have received attention with regard to these calculations. As the development of greener energy resources continues, the mooring system design becomes important also for new industries, such as floating offshore wind. Accurate predictions of wave drift loads is hence needed for several types of offshore structure. The calculations of wave drift loads have commonly been carried out using Newman's approximation for potential flow drift loads and Morison's drag term for viscous drift loads. However, discrepancies to model tests have been noted over the years.
In the present thesis, the overall aim is to highlight the nonlinear dependence of potential and viscous flow effects for wave drift loads. For this purpose, the computational fluid dynamics (CFD) software OpenFOAM has been used to study both 2D and 3D, fixed structures interacting with incident waves. The simulations have been carried out for regular waves, hence the work is directed towards assessment of the mean drift loads on the structures. To obtain a proper numerical set-up for the CFD simulations, a systematic analysis of 2D wave generation in OpenFOAM has been carried out. Spatial and temporal discretization, and the use of different time schemes, are parameters that have been investigated. All these parameters have been seen to affect the accuracy and stability of the numerical simulations. The wave propagation studies have also identified issues with non-constant wave heights over the length of the domain. Furthermore, some differences in simulated wave height are observed when using Stokes second- and fifth-order wave theory for steep waves.
A 2D ship section interacting with beam sea waves has been analyzed. Load time series on the ship section have shown increasing nonlinearities with wave steepness. Harmonic load components from the simulations were in good agreement with reference results from a fully nonlinear potential flow theory method. The mean sway drift force on the ship section was in good agreement with several reference results at a low frequency. Larger differences were observed at an increased frequency. Here, simulation results from use of Stokes fifth-order wave theory corresponded well with the reference results from a fully nonlinear potential flow theory method. This gave an indication that higher-order potential flow effects were important for increasing wave steepness.
The semi-submersible floating wind turbine foundation VolturnUS-S, has been analyzed in head sea waves. In addition to OpenFOAM results, potential flow results for mean surge drift forces and first-order loads have been obtained with WAMIT. The mean surge drift force from WAMIT was evaluated both by direct pressure integration and conservation of fluid momentum, where the latter was found to give the most reliable results. Mean surge drift loads from OpenFOAM were compared to the WAMIT results. The relative deviations between the results were seen to increase with both the wave length and wave height, for long period waves. Increasing contributions from viscous drift loads are likely to be the main reason for the differences.
The CFD results were also compared to the correction formula developed during the EXWAVE joint industry project. For most wave heights in long waves, the CFD results for the mean drift surge force were larger than the correction formula gave. This gave an indication that further work may be needed for the formula to be applicable for offshore wind turbines. | |
