Numerical and Experimental Investigation on a Circular FOWT Foundation with a Moonpool

Abstract

Denne oppgaven undersøker forskjellige variasjoner av horisontale og vertikale dempeplater på et sirkulært flytende vindkraft konsept som innehar et stort sentrert ”moonpool”. Arbeidet er blitt utført både eksperimentelt og numerisk. Det gjeldende konseptet er utviklet av Sevan SSP, som har stor ekspertise innen design og utvikling av sirkulære skrog, og har vært en stor bidragsyter for olje og gass næringen i lang tid. De bruker nå sin ekspertise til å utvikle et kostnadseffektivt design innenfor flytende offshore vindkraft.

Wamit, et numerisk panel kode program basert på lineær potensial teori, har blitt brukt til de numeriske simuleringene og eksperimentene er blitt utført i Lilletanken på NTNU. Fem forskjellige horisontale dempeplater har blitt undersøkt samt ett sett med vertikale dempeplater montert i konseptets ”moonpool” ved henholdsvis 90° og 270° normalt på de innkommende bølgene. Totalt, åtte forskjellige konfigurasjoner har blitt testet. Hovedhensikten ved å teste forskjellige størrelser av disse dempe platene er om dette kan gi en 25% reduksjon i stamp bevegelse rundt kR=0.7-0.9. Resultatene er presentert i form av respons amplitude operator, RAO.

En parametrisk studie ble gjennomført på to av designkonfigurasjonene ved å legge til en omtrentlig dempingsverdi for viskøs demping og variere treghetsmomentet I55. En ny serie RAO ble produsert i MATLAB ved hjelp av de lineære koeffisientene for tilleggsmasse, dempning og hydrostatisk stivhet samt eksitasjonskrefter kalkulert av Wamit. Målet med denne studien er å undersøke metoder for implementering av viskøse effekter i domener som ekskluderer viskositet. Denne studien viste at både viskøs demping og viskøs eksitasjon er betydelige for denne typen konsept.

Resultatene fra eksperimentet og de numeriske simuleringene viste at bevegelsen endret seg betydelig med de forskjellige horisontale demperplatene. Konfigurasjonen med den største horisontale demperplaten gav det beste resultatet ved kR=0.7-0.9. De vertikale demperplatene viste liten eller ingen forbedring av bevegelsen. ”Moonpoolen” tar opp en betydelig del av konstruksjonen, noe som betyr at bevegelsen av fluidet i ”moonpoolen” vil påvirke konstruksjonens bevegelse betraktelig. Skvulping og stempel bevegelses resonans (sloshing og piston-mode) er to viktige typer bevegelse av væskeoverflaten som kan oppstå for denne type konsept, som også er studert her. Resultatene viste at den første skvulpe-modusen omtrent kansellerer jag bevegelsen helt ved kR=1.8-2.5, avhengig av hvilken horisontal demperplatesom var festet. Stempeleffekten markerte også sin tilstedeværelse ved kR=1.3, noe som indikerte en viss kansellering av bevegelsen i hiv for en av designkonfigurasjonene.

The present work investigates different variations of horizontal and vertical damper plates on a circular floating offshore wind turbine concept with a large centred moonpool. This is done through both experimental and numerical procedures. The concept in question is developed by Sevan SSP, which have expertise in the design of cylindrical hulls and have been a provider for offshore oil and gas production for many years. They are using their knowledge in developing a cost-effective solution for the floating offshore wind turbine industry.

A potential flow solver called Wamit have been utilized for the numerical simulations and the experimental work have been conducted in the Small Towing Tank at NTNU. Five different horizontal damper plates have been tested as well as one type of vertical damper plates situated inside the moonpool at 90° and 270° normal to the incoming waves. A total of eight design configurations have been tested. The main purpose of testing different sizes of damper plates is to see if this could reduce the pitch motion at kR=0.7-0.9 by approximately 25%. Results is presented in term of response amplitude operator, RAO.

A parametric study on two of the design configuration involving adding an approximate damping value for viscous damping as well as varying the inertia term I55 have been conducted. A new set of RAO were produced in MATLAB using the linear added mass, damping and restoring coefficients as well as excitation forces evaluated by Wamit. The aim of this study is to investigate methods on implementing viscous effects in domains that exclude viscosity. This study showed that both viscous damping and viscous excitation is prominent on this type of concept.

The results from the numerical simulation and experimental work showed that the rigid body motion changed significantly with the different type of horizontal damper plates. The configuration with the largest horizontal damper plate showed the best result at kR=0.7-0.9. The vertical damper plates indicated little to no improvement on the motion. The moonpool takes up a substantial proportion of the concept which means that the free surface motion inside the moonpool is bound to affect the rigid body motion. Sloshing and piston-mode resonance is two major type of free-surface motion that can occur for this type of concept which have been studied here. The results showed that the first transverse sloshing mode cancels out the surge motion almost completely at kR=1.8-2.5 depending on which horizontal damper plate were attached. The piston-mode also marked its presence at kR=1.3 which indicated some cancellation of the motion in heave for one design configuration.