Time Domain Vortex-Induced Motion Prediction of Spar-Type Floating Wind Turbine

Abstract

Flytende vind øker for tiden i popularitet og den flytende spar-vindturbinen viser stort potensial til å tre frem som en viktig brikke i den globale energiomstillingen til fornybare kilder. Denne konstruksjonen kan oppleve virvel-induserte bevegelser (VIM) grunnet havstrømninger, som refererer til store oscillasjoner av flyteren forårsaket av alternerende virvelavløsning. Bevegelsene er typisk karakterisert av jag/svai eller rull/stamp oscillasjoner i de naturlige periodene til konstruksjonen. Disse bevegelsene kan så forårsake signifikant utmattingsskade og følgelig redusert levetid, og på grunn av dette er det ønskelig å nøyaktig predikere forekomsten av VIM og bevegelsen i seg selv. Denne oppgaven undersøker om en nylig utviklet tidsplan (TD) virvel-indusert vibrasjons- (VIV) modell kan bli brukt som et VIM-prediksjonsverktøy. TD VIV-modellen betraktet i denne oppgaven er en hydrodynamisk lastmodell nylig utviklet ved NTNU og SINTEF Ocean og er fremdeles et hett forskningstema som undergår konstant forbedring. Modellen legger til to VIV lasttermer, en for tverrstrøms- (CF) og en for medstrøms- (IL) retningen, i den klassiske Morison's ligning i form av koeffisienter og en synkroniseringsmodell. Synkroniseringsmodellen fanger fasekoblingen mellom kraft og respons for a ta hensyn til fenomenet kjent som "lock-in", hvor virvelavløsningsfrekvensen låser seg til den naturlige frekvensen til konstruksjonen. Målene for denne oppgaven inkluderte å validere modellen for VIM prediksjon mot full-skala målinger, evaluere den relative betydningen av miljøforhold med hensyn til oppstart av VIM og anvende en representativ miljøbeskrivelse for å undersøke effekten av VIM på bruddgrensetilstanden (ULS) og utmattingslevetiden til fortøyningssystemet.

Det flytende vinturbin- (FWT) konseptet brukt gjennom denne oppgaven er Hywind Scotland 6 MW spar-FWTen. Fem av disse vindturbinene utgjør vindparken Hywind Scotland 30 MW og er for øyeblikket i drift utenfor nordøst-kysten av Skottland. Dette FWT-konseptet er modellert i SIMA arbeidsbenk ved bruk av en kombinasjon av SIMO, et program for simulering av bevegelser og fastholdingsoppførsel av flytende konstruksjoner, og RIFLEX, et program for analyse av slanke konstruksjoner. Tester ble utført for å fastslå de naturlige periodene til den komplette konstruksjonen, som så ble sammenlignet med oppgitte perioder fra operatøren, Equinor. Full-skala målinger inkludert global x- og y-bevegelse for tilfeller med varierende metocean-forhold ble også utlevert av Equinor i samarbeid med ORE Catapult. Den modellerte FWTen ble så analysert med og uten TD VIV-modellen og resultatene ble sammenlignet med full-skala målinger for validering. Det ble funnet at TD VIV-modellen produserer nøyaktige resultater med hensyn til oppstart av VIM for alle de tilgjengelige full-skala målingstilfellene, som underbygger potensialet for TD VIV-modellen til å bli brukt som et VIM-prediksjonsverktøy.

Dessuten ble de samme tilfellene brukt til å evaluere den relative betydningen av vind og bølger i kombinasjon med strøm med hensyn til oppstart av VIM. Det ble observert at bølgene hadde liten til ingen påvirkning med hensyn til VIM-respons av FWTen. For all tilfellene viste vindlasten seg å være den styrende faktoren av FWT-responsen. Når vinden ble fjernet fullstendig, ble tilfellene med lav strømhastighet funnet å være upåvirket med hensyn til VIM-respons. Tilfellene med de høyeste strømhastighetene opplevde imidlertid små mengder VIM som ikke ble fanget opp av TD VIV-modellen når vinden var inkludert. VIM-translasjonsamplitudene oversteg aldri translasjonsamplitudene fra resultatene for den fulle miljøtilstanden inkludert vind, strøm og bølger.

Til slutt, en representativ helårs miljøbeskrivelse ble etablert for å undersøke effekten av VIM på ULS-design og utmattingslevetid av fortøyningssystemet. Et sett av forskjellige komplette metocean-tilstander som tar hensyn til sannsynlighetsfordelinger av vind, bølger og strøm ble etablert, hver med lik sannsynlighet av forekomst over et helt år. Tilstandene ble analysert med og uten TD VIV-modellen og en ULS-sjekk ble gjennomført. Det ble funnet at det maksimale stresset i fortøyningslinene økte grunnet predikert VIM av TD VIV-modellen. En utmattingsanalyse ble også gjennomført, og det ble funnet at levetiden til fortøyningslinene ble massivt redusert grunnet predikert VIM av TD VIV-modellen. Både CF- og IL-bidrag ble funnet å være av betydning. Det ble konkludert med at den validerte TD VIV-modellen produserer betydelig VIM og følgelig utmattingsskade på fortøyningslinene over en representativ helårs miljøbeskrivelse. Reduksjonen i levetid forårsaket av VIM understreker viktigheten av et nøyaktig prediksjonsverktøy og TD VIV-modellen viser stort potensiale, men likevel, ytterligere validering og potensielt kalibrering er nødvendig for å selvsikkert kunne predikere nøyaktig VIM.

Floating wind is currently gaining popularity and the spar-type floating wind turbine shows great potential to emerge as an important piece in the global energy transition towards renewable sources. This structure may experience vortex-induced motion (VIM) due to ocean current, which refers to large oscillations of the floater caused by alternating vortex shedding. The motions are typically characterized by surge/sway or roll/pitch oscillations in the natural periods of the structure. These motions may in turn cause significant fatigue damage and consequently reduction of lifetime, and for this reason it is desirable to accurately predict the occurrence of VIM and the motion itself. This thesis investigates if a recently developed time domain (TD) vortex-induced vibration (VIV) model can be used as a VIM prediction tool. The TD VIV model considered in this thesis is a hydrodynamic load model recently developed at NTNU and SINTEF Ocean and is still a hot research topic undergoing constant refinement and improvement. The model adds two VIV load terms, one for the cross-flow (CF) and one for the in-line (IL) direction, in the classical Morison's equation in terms of coefficients and a synchronization model. The synchronization model is capturing the phase coupling between force and response to account for the phenomenon known as lock-in, where the vortex shedding frequency locks on to the natural frequency of the structure. The objectives of this thesis included validating the model for VIM prediction against full-scale measurements, evaluating the relative importance of environmental conditions with regard to onset of VIM and applying a representative environmental description to investigate the effect of VIM on the ultimate limit state (ULS) design and fatigue life of the mooring system.

The floating wind turbine (FWT) concept used throughout the thesis is the Hywind Scotland 6 MW spar-type FWT. Five of these wind turbines make up the 30 MW Hywind Scotland wind park and are currently in operation off the north-east coast of Scotland. This FWT concept is modelled in the SIMA workbench using a combination of SIMO, a program for simulation of motions and station-keeping behaviour of floating structures, and RIFLEX, a program for analysis of slender structures. Free decay tests were performed to determine the natural periods of the complete structure, which then were compared to stated periods by the operator, Equinor. Full-scale measurements including global x- and y-motion for cases with varying metocean conditions were also provided by Equinor in collaboration with ORE Catapult. The modelled FWT was then analyzed with and without the TD VIV model and the results were compared to the full-scale measurements for validation. It was found that the TD VIV model produces accurate results regarding the onset of VIM for all of the provided full-scale measurement cases, which builds on the potential of the TD VIV model to be used as a VIM prediction tool.

Furthermore, the same cases were used to evaluate the relative importance of wind and waves in combination with current with regards to onset of VIM. It was observed that the waves had little to no contribution with regards to VIM response of the FWT. In all cases, the wind loading proved to be the governing factor of the FWT response. When removing the wind completely, the cases with low current speeds were found to be unaffected with regards to VIM response. The cases with the highest current speeds were however experiencing small amounts of VIM which were not captured by the TD VIV model when wind was included. The VIM translation amplitudes were never exceeding the translation amplitudes from the full environment results including wind, current and waves.

Finally, a representative full year environmental description was established to investigate the effect of VIM on the ULS design and fatigue life of the mooring system. A set of different complete metocean conditions considering probability distributions of wind, waves and current were established, each with equal probability of occurrence over a full year. The conditions were analyzed with and without the TD VIV model and an ULS check was performed. It was found that the maximum stress in the mooring lines was increased due to predicted VIM by the TD VIV model. A fatigue analysis was also performed and it was found that the lifetime of the mooring lines was massively reduced due to VIM predicted by the TD VIV model. Both CF and IL contributions were found to be of significance. It was concluded that the validated TD VIV model produces substantial VIM and consequently fatigue damage on the mooring lines over a representative full year environmental condition. The lifetime reduction caused by VIM underlines the importance of an accurate prediction tool and the TD VIV model is showing great potential, however, additional validation and potentially calibration is needed in order to confidently predict accurate VIM.