Numerical and experimental investigations of hydrodynamic loads on catamaran type floating solar island

Abstract

Det er en økende etterspørsel etter grønn energi. Flytende soløyer kan være en potensiell kilde til å bidra til dette. I skrivende tid, er de fleste flytende soløykonstruksjonene plassert i beskyttede områder, eksempelvis nær kystlinjer, demninger eller innsjøer. Disse lokasjonene kan nytte av relativt milde værforhold. Dette tillater enklere strukturer, da de utsettes for mildere værforhold. Imidlertid er det økende interesse for å implementere disse flytende strukturene i mer utsatte omr˚ader, noe som krever en grundig undersøkelse av deres hydrodynamiske atferd.

Det presenterte arbeidet undersøker de hydrodynamiske kreftene mellom katamaranformede flotasjonslegemer i harmonisk oscillerende strøm tredimensjonalt. Både numeriske og eksperimentelle analyser er utført. Spesielt er fokuset på effekten av to følgende faktorer: økt avstand mellom katamaranmodellene og økt neddykking av katamaranen.

Den numeriske analysen utføres ved hjelp av det numeriske løsningsprogrammet WAMIT. Tre konfigurasjoner av avstand mellom flotasjonslegemene for to høydekonfigurasjoner testes. Resultatene konverteres til dimensjonsløse verdier og presenteres over en rekke Kaulegan-Carpenter (KC)-numre. Den numeriske analysen er basert på potensialstrømteori og forutsetter ideell væske.

Eksperimentet er utført i Lader-tanken ved Senter for Marin Teknologi i Trondheim, Norge. Dette eksperimentet undersøker de hydrodynamiske kreftene på katamaranformede modeller i oscillerende strøm. Tre konfigurasjoner av avstand mellom flyterne med to høydekonfigurasjoner testes. De numeriske og eksperimentelle resultatene blir deretter sammenlignet i korte trekk med en oppsummering av et tidligere eksperiment gjennomført om høsten 2022, som studerte ulike konfigurasjoner av kvadratiske sylindere under oscillerende strømforhold.

De numeriske resultatene sammenlignes med DNV-standarden ”DNV-RP-C205” og vurderes med hensyn til estimerte sloshing-moder. Til slutt diskuteres høydepunkter for skalering til fullskalastrukturer.

Denne masteroppgaven har som mål å gi en grundig og omfattende undersøkelse av de hydrodynamiske interaksjonene som påvirker katamaranformede flotasjonslegemer. Funnene bidrar til en bedre forståelse av dynamikken til flytende soløyer.

There is an increasing demand for clean energy, and floating solar islands can be a sufficient solution to contribute to this. In writing time, most floating solar installations are situated in sheltered areas, such as near shorelines, dams, or lakes, benefiting from relatively mild weather conditions. This allows for simpler structures as it experiences lighter weather conditions. However, there is a growing interest in deploying these floating structures in more exposed areas, necessitating a comprehensive investigation into their hydrodynamic behavior.

The presented work, investigates the hydrodynamic forces between catamaran-shaped floaters in harmonic oscillatory flow in three dimensions. Both numerical and experimental analysis is conducted. Specifically, the investigation explores the effect of two factors: the increased gap distance between the catamaran models and the increased draft.

The numerical analysis is performed using the numerical solver WAMIT. Three gap distance configurations and two height configurations are tested. The results are converted to nondimensional values and presented across a range of KauleganCarpenter (KC) numbers. The numerical analysis is based on potential flow theory, assuming ideal fluid.

The experiment is conducted in the Lader tank at the Center of Marine Technology in Trondheim, Norway. This experiment investigates the hydrodynamic forces of catamaran-shaped models in oscillating flow. Three gap distance configurations and two height configurations are tested. The numerical and experimental findings are then briefly compared to a summary of a previous experiment conducted in the Autumn of 2022, which studied various square-shaped cylinder configurations under oscillating flow conditions.

The numerical results are compared with the DNV standard ’DNV-RP-C205’ and evaluated with respect to estimated sloshing modes. Lastly, highlights for scaling to full-scale structures are discussed.

This master’s thesis aims to comprehensively and thoroughly investigate the hydrodynamic interactions affecting catamaran-shaped floaters. The findings contribute to a better understanding of the floating solar island dynamics.