Floating offshore wind and mooring systems modelling using CFD
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3091506Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Flytende havvind er avgjørende for overgangen til fornybar energi og for å oppnå netto null utslipp. Siden disse turbinene kan plasseres på dypere havområder, kan de også produsere mer kraft på grunn av sterkere og mer stabile vindhastigheter. Imidlertid følger det også med utfordringer med det røffe miljøet, noe som gjør konstruksjonene dyrere da de må tåle de disse store kreftene. For å gjøre havvind industrien konkurransedyktig, er kostnadsreduksjon og innovasjon viktig. Numeriske simuleringer med CFD spiller en betydelig rolle under slike forhold på grunn av muligheten for nøyaktig utregning av fysiske påvirkninger, noe som kan forbedre optimaliseringen av konstruksjonene. Likevel kreves det validering for å gjøre CFD-modellen pålitelig ved å sammenligne de numeriske simuleringene mot eksperimentelle data.
Målet med denne oppgaven er å validere flytende konstruksjoner, med spesielt fokus på en flytende vindturbin, ved hjelp av den numeriske modellen REEF3D, med den nye algoritmen for seks frihetsgrader (6DOF) og fluid-structure-interaction (FSI). REEF3D er en åpen CFD model som er utviklet ved Institutt for bygg- og miljøteknikk ved NTNU, og kan løse den tredimensjonale RANS ligningen. Området er diskretisert ved bruk av "finite differnces" og en "level set" metode for å kunne simulere det flytende objektet i den frie overflaten mellom vann og luft. Dette utføres på et kartesisk forskjøvet rutenett med en "direct forcing immersed boundary" metode. Konveksdelen av RANS-ligningen diskretiseres ved bruk av et femte ordens WENO-skjema, mens trykket oppnås ved Chorins projeksjon, noe som resulterer i en Poisson-ligning. Denne løses ved den bi-konjugerte gradientstabiliserte metoden(BiCGSTAB). Tredje ordens Runge-Kutta brukes på tidsskjemaet for den frie overflaten og for bevegelsesligningene. For validering, simuleres det bølger i en numerisk bølgetank med andre ordens Stokes-teori. Den numeriske tanken er delt inn i tre deler, en genereringssone, en bevegelsessone og en absorberingssone.
To 2D-tilfeller med enkel geometri blir først simulert før et mer kompleks 3D tilfelle av en flytende vind turbin med forankringslinjer blir studert under påvirkning fra forskjellige regulære bølger. Disse simuleringene blir deretter sammenlignet med eksperimentelle data, som innebærer bevegelser og rotasjon i x og y retning for 2D simuleringen og i x, y og z retning for 3D simuleringene. I tillegg blir også bølgebevegelsene studert. En konvergensstudie av størrelsen på cellene i rutenettet blir deretter utført. Meningen er å finne den beste størrelse slik at resultatene både blir nøyaktige og samtidig ikke bruker for mye datakraft på beregningene. Videre blir det gjennomfør en parameteranalyse av de dårligste utfallene for å forbedre resultatene. De utførte simuleringene har totalt sett et relativt godt samsvar med målingene. Floating offshore wind is essential in transitioning towards renewable energy and reaching net zero emissions. As these turbines can be placed in the deeper ocean, they also can provide more power from the higher and consistent wind speed. However, this also comes with the challenges of the harsh environment, making the structures more expensive as they need to withstand these large forces. In order to make the offshore wind industry competitive, cost reduction and safe design innovation are crucial. Numerical simulations with CFD play a significant role under these circumstances due to the possibility of accurate prediction of the physical loads, making the optimization of the structure better. Still, to make the CFD model reliable, validation is required by comparing the numerical simulation to experimental data.
This thesis aims to validate floating bodies, particularly focusing on a floating offshore wind turbine, using the numerical model REEF3D with the implemented algorithm of six degrees of freedom (6DOF), including a new fluid-structure interaction(FSI) method. REEF3D is an open-source numerical CFD solver developed at the Department of Civil and Environmental Engineering at NTNU, which solves the three-dimensional Reynolds-Average Navier-Stokes (RANS) equation. The domain is discretized using a finite difference method and level set method to obtain the floating body and the free surface within water and air. This is executed on a cartesian staggered grid with a direct forcing immersed boundary method. The convective term in the RANS equation is discretized by applying a fifth-order WENO scheme, while the term of pressure is obtained by Chorin's Projection resulting in a Poisson equation that is solved with the Bi-Conjugate Gradient Stabilized method. The Total Variation Diminishing Runge-Kutta scheme of third-order is utilized for both the free surface's time scheme and the momentum equations. For validation, the waves are simulated in a numerical wave tank with second-order Stokes theory, where the numerical wave tank is divided into three parts: a generation zone, a working zone, and a numerical beach, explained in the chapter on the numerical model.
Two 2D cases of simple geometry are first investigated before a more complex 3D case of a floating offshore wind turbine with mooring lines developed by SINTEF is studied under the influence of three different regular waves. These simulations are then compared to experimental data, which involves heave, roll, and surge motions in 2D, and heave, pitch, and surge in 3D. Also, the simulated wave elevation is compared with the measurements. Simplified spring mooring lines are used for the floating platform, which is investigated in conjunction with the motions. A grid convergence study is performed on the cases to optimize the grid size, combining accuracy and computational efficiency. Further, a parameter analysis of the least favorable cases is conducted to improve the outcomes. Considering all the validation cases, the results show good agreement with the measurements.