Motion response analysis of a Sevan FWT moonpool foundation

Abstract

Arbeidet som presenteres i denne rapporten er en masteroppgave for masterstudiet Marin Teknikk ved NTNU - Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet. Denne oppgaven er en numerisk og eksperimentell analyse hvor bevegelse av en todimensjonal representasjon av SWACH-fundamentet for en flytende vindturbin, utviklet av Sevan SSP, blir undersøkt. En numerisk parameterstudie av forskjellige dypganger blir også gjennomført.

SWACH-fundamentet blir, på grunn av sin store moonpool i forhold til nedsenket skrog, utsatt for store bevegelser på grunn av koblede effekter fra sloshing. Derfor er det veldig viktig å ta hensyn til design og egenperioder for å hindre for store bevegelser i systemet. På grunn av skjørtene som er festet til bunnen av strukturen, og det generelle designet til SWACH-fundamentet, er også viskøse effekter svært relevant for denne oppgaven. Et litteraturstudie er lagt frem, hvor det er lagt vekt på litteratur som er relevant for denne oppgaven. Teori som er sett på som relevant for denne oppgaven, samt moonpooler generelt, blir også presentert.

Fire forskjellige konfigurasjoner er testet i experimenter gjennomført i Ladertanken, ved MarinTeknisk Senter ved NTNU i Trondheim. Samme basismodell er brukt for alle de fire konfigurasjonene. Den første av de fire konfigurasjonene, C1, er basismodellen uten dempeplater. Dempeplater festet på tre forskjellige lokasjoner på de innerste veggene på den todimensjonale representasjonen av modellen utgjør de siste tre konfigurasjonene. Modellen er en fritt flytende, horisontalt forankret modell, som blir utsatt for regulære bølger med perioder som varierer mellom T = 0.6s − 1.3s i modellskala. Den numeriske potensialteori-løseren WAMIT blir brukt i numeriske simuleringer for å gjenskape eksperimentene, i tillegg til parameterstudiet. Resultatene fra eksperimentene blir sammenlignet med resultatene fra de numeriske simuleringene for validering.

De eksperimentelle resultatene, først og fremst presentert i form av RAOer, samsvarer godt med de numeriske resultatene, med noen avvik som mest sannsynlig er forårsaket av viskøse effekter som ikke taes i betraktning i de numeriske simuleringene. Resultatene indikerer at å legge til dempeplater, i operasjonelle forhold, kan bidra til positiv effekt på bevegelse i jag og hiv, men en negativ effekt på bevegelse i stamp. Konfigurasjonene C2 og C4, hvor kun ett par med dempeplater er festet, opplever også en signifikant forflytting av egenperiodene mot lavere perioder, for alle frihetsgrader. Konfigurasjonen C3, hvor to par med dempeplater er festet, opplever en liten økning av egenperiodene for alle frihetsgrader. Noen merkbare forskjeller finnes også når resultatene sammenlignes med resultater for publisert litteratur, men regnes å være på grunn av forskjeller i geometrien på modellene. Dette fører til et numerisk parameterstudie av dypganger.

Det numeriske studiet av dypganger er gjennomført på forskjellige dypgang-til-moonpooldiameter forhold, med forhold som varier fra original dypgang på h/Dmp = 0.34 til h/Dmp = 1. Resultatene fra de numeriske simuleringene samsvarer godt med publisert litteratur for de største dypgangene, som forventet. For de minste dypgangene viser RAOene i stamp store forskjeller både i kanselleringsperioder, og perioder hvor RAOen har toppunkt. En tydelig sensitivitet til dypganger inntreffer for h/Dmp ≤ 0.67. I jag og hiv viser en forandring av dypgangen kun en liten forflytting av perioder hvor RAOene har toppunkt mot høyere perioder.

The work presented in this report acts as a master’s thesis for the Master’s Degree Programme in Marine Technology at NTNU - Norwegian University of Science and Technology. The thesis is a numerical and experimental analysis where motions on a two-dimensional representation of the Small Waterplane Area Cylindrical Hull (SWACH) foundation for floating wind turbines, developed by Sevan SSP, is investigated. A numerical parametric study on different drafts is also conducted.

The SWACH foundation is, due to its large moonpool compared to the submerged hull, exposed to large motions due to coupled effects from sloshing. It is therefore very important to take the design and natural periods of the different sloshing modes into consideration to avoid excessive motion. Due to the skirts fitted at the bottom of the structure, and the general design of the SWACH foundation, viscous effects will also be highly relevant for this thesis. A literature study is provided, with an emphasis on relevant literature for this thesis. Theory seen as relevant for this thesis, and moonpools in general, is also presented.

Four different configurations are tested in experiments conducted in Ladertanken, at the Marine Technology Centre at NTNU in Trondheim. The same base model is used for all four configurations. The first configuration, C1, is the base model without baffles. Baffles mounted in three different locations on the internal walls of the two-dimensional representation of the model makes up the other three configurations. The model is floating freely, horizontally moored model, and subjected to incident regular waves with periods ranging from T = 0.6s − 1.3s in model scale. The potential flow theory solver WAMIT is used in the numerical simulations to replicate experiments, and the parametric study as well. The experimental results are compared to numerical results for validation purposes.

Experimental results, mainly presented in the form of RAOs, show good agreement with numerical results, with some deviations most likely due to viscous effects not considered by the numerical solver. Results indicate that, in operational conditions, adding baffles to mitigate motion may have a positive effect on motion in surge and heave, but a negative effect on motion in pitch. The configurations C2 and C4, where only one pair of baffles are fitted, also experience a significant shift of the natural periods towards lower periods for all DOFs. The configuration C3, with two pairs of baffles fitted, experience a slight increase in natural periods for all DOFs. Some noticeable differences are present when compared to result from published papers, but are expected to be due to differences in model geometry. This leads to a numerical parametric study on drafts.

The numerical parametric study is conducted on different draft-to-moonpool diameter ratios, ranging from the original ratio of h/Dmp = 0.34 to h/Dmp = 1. Good agreement is found comparing the results from the numerical simulations with published literature for the largest drafts, as expected. For the smallest drafts, RAOs in pitch experience large differences, both in cancellation and peak periods. A significant sensitivity to the draft occurs for h/Dmp ≤ 0.67. In surge and heave the change in draft only causes a slight shift in the peak periods towards larger periods.