2D Numerical Investigation of the Non-Linear Forces Acting on the Sevan SWACH OWT

Abstract

Flytende havvind har i senere år blitt identifisert som en viktig løsning på energi for å nå null-utslipps klima målet. Ved å ta i bruk de sterke og konsistente vindkastene ute på havet kan dette annses som en mulig energikilde som kan utnyttes i mange år. For å kunne drive havvind både med tanke på økonomisk profit og bærekraft, må nye løsninger utvikles. I denne studien skal et flytende havvind konsept, utviklet av Sevan SSP undersøkes. Konseptet er kjent som SWACH konseptet på grunn av sitt unike design og kan beskrives som en sirkulær sylinder med et stort, åpent moon-pool i midten. Dette fører til at strukturen har et lite vannlinje areal. Konseptet skal gi økt stabilitet samt reduserte kostnader sammenlignet med tradisjonelle havvind konsepter i dag. Før konseptet kan realiseres må det gjøres videre forskning.

I forskningen av dette konseptet ble 2D numeriske CFD analyser utført i OpenFOAM for å gjøre tester med forskjellige skjørt konfigurasjoner. Dette ble gjort for å analysere de ikke-lineære kreftene som virker på strukturen i bølger. Målet var å se på måter å optimalisere konseptet ved å redusere bevegelsene, for øyeblikket er the stamp bevegelsen eller rotasjon om y-aksen som er mest bekymringsverdig, spesielt i området rundt egen perioden på cirka 14s.

Videre ser avhandlingen på gyldigheten av og vanekslighetene ved bruken av numeriske verktøy. Det viste seg å mulig være vanskelig å sette opp så realistiske numeriske simulasjoner som mulig, da dagens teknologi og teoriene bak potensielt ikke moden nok til å enda erstatte fysisk testing.

Dette arbeidet undertstreker viktigheten av videre forskning på gyldigheten av og utvikling av numeriske verktøy. Samtidig understrekes viktigheten av å integrere fysisk testing i slik forskning for å oppnå sikre og trygge resultater for videre utvikling innen hydrodynamikk.

De største begrensende faktorene for resultatene, viste seg å være mangel på beregninskraft, da CFD er kjent for å være beregningsmessig krevende. Samt, begrensninger innen de integrerte teoretiske funksjonene i OpenFOAM, hvor for eksempel turbulens modeller viste seg å skape problemer.

Ut i fra de numeriske beregningene av de forskjellige potensielle skjørt konfigurasjonene for SWACH konseptet, viste det seg at resultatene korresponderte noenlunde med de teoretiske estimatene, men at resultatene ikke holder til å få et realistisk bilde av strukturens fulle bevegelse.

Floating offshore wind has been identified as a key technology for reaching net zero emissions, as it has the potential to harness the strong and consistent winds found at sea. However, the offshore wind industry needs to develop new more cost-effective solutions to ensure profit and sustainability. In this study, we investigate a floating foundation concept developed by Sevan SSP. The concept is known as the SWACH concept because of its design, it has a circular hollow cylinder foundation with a moon-pool in the center, resulting in a small water plane area. This design offers several potential advantages, including improved stability and reduced costs compared to traditional floating foundation designs. Further research is needed to fully assess the feasibility and potential of this concept.

To research this concept the use of 2D numerical CFD simulations in OpenFOAM have been implemented, different baffle/skirt configurations were tested to investigate the non-linear forces acting on the structure in waves. The goal was to optimize the concept by reducing the motions, where the pitch motion or the rotation about the y-axis currently is the most concerning especially around the natural period of approximately 14s.

Further the thesis looks into the validity and difficulties using numerical tools for such research. It was shown that setting up as realistic as possible numerical simulations, may prove difficult as the technologies and theories are not yet mature enough to replace physical testing.

This work underscores the significance of further research into the advancement and validation of numerical tools, envisaging a harmonious integration with traditional physical testing for comprehensive and trustworthy explorations in marine hydrodynamics.

The major limiting factors to the results proved to be a combination of limited computational equipment, as well as theoretical models integrated in OpenFOAM, where for instance the turbulence models caused some issues.

From the investigation of the different potential skirt configurations for the SWACH conept, it was found that, the results correspond somewhat with the theoretical estimations, however the results from the given simulations on a stationary model do not provide an accurate enough picture of which configurations work best.